KỸ THUẬT tự ĐỒNG bộ tín HIỆU MPAM đơn cực TRONG OFDM và ỨNG DỤNG CHO hệ THỐNG QUANG vô TUYẾN

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM VIII-O-9 KỸ THUẬT TỰ ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU MPAM ĐƠN CỰC TRONG OFDM VÀ ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG QUANG VÔ TUYẾN Đặng Lê Khoa1, Nguyễn HữuPhương1, Hiroshi Ochi2 Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên,ĐHQG-HCM Department of Computer Science and Engineering, Kyushu Institute of Technology, Japan Email: dlkhoa@fetel.hcmus.edu.vn TÓM TẮT Hệ thống quang vô tuyến nhà quan tâm nhờ khả truyền liệu tốc độ cao mà không can nhiễu với sóng điện từ Ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) gửi luồng liệu tốc độ cao cách dùng nhiều sóng mang trực giao Gần nhiều nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu sử dụng kỹ thuật OFDM cho hệ thống quang vô tuyến Khi sử dụng OFDM, vấn đề quan trọng xác định khoảng tiền tố vòng loại khỏi khung liệu trước tách sóng phía thu Trong báo này, đề xuất kỹ thuật tự đồng cho tín hiệu MPAM đơn cực OFDM Điều cho phép loại bỏ khoảng tiền tố vòng điểm khung ký hiệu dạng tín hiệu MPAM đơn cực Kỹ thuật phù hợp hệ thống có băng thông rộng sử dụng 2-PAM 4-PAM Kết phân tích toán học mô cho thấy kỹ thuật nàycó thể ứng dụng cho hệ thống quang vô tuyến Từ khóa: quang vô tuyến, OFDM, tự đồng bộ, tiền tố vòng MỞ ĐẦU Hiện nay, nhiều đường truyền quang không dây đầu tư nghiên cứu phòng thí nghiệm giới đạt tới tốc độ vài Gbps [1] Đường truyền quang không dây truyền thông tin cách sử dụng điều chế điện sang quang, thông thường Light-emitting diode (LED) photodiode chi phí thấp mà không cần sử dụng kĩ thuật thiết kế mạch cao tần Do dải tần số vô tuyến không nằm dải tần số quang nên đường truyền quang không dây không bị nhiễu với thiết bị sử dụng tần số không dây Sự phát xạ quang vùng hồng ngoại vùng không nhìn thấy dễ dàng bị chặn lại chắn sáng Do vậy, nhiễu thiết bị kề giảm xuống cách dễ dàng kinh tế Đường truyền quang phù hợp cho thiết bị xách tay có nhiều mạch thu phát quang nhỏ với giá tương đối thấp Đường truyền quang không dây có vài nhược điểm Tín hiệu quang bị suy giảm tán sắc tượng truyền đa đường Đường truyền quang không dây bị ảnh hưởng nguồn sáng xung quanh hay nhiễu [3, 4] Công suất tối đa ánh sáng quang bị giới hạn quy định bảo vệ mắt da [2] Đầu thu quang không dây yêu cầu photodetector có vùng nhạy lớn để thu nhận đủ công suất đạt chất lượng tín hiệu chấp nhận được, thường Bit-error-rate (BER) 10-3[3] Trong môi trường có phản xạ, tốc độ truyền lớn, hệ thống cần sử dụng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang để chia luồng liệu thành nhiều luồng nhỏ có tốc độ thấp OFDM kỹ thuật sử dụng hiệu băng thông cách dùng sóng mang trực giao Một ký hiệu OFDM chứa nhiều sóng mang chồng lấn lên mặt phổ tần, nhờ vậy, băng thông tận dụng hiệu Cùng với việc thực OFDM đơn giản với thuật toán IFFT cho luồng phát thuật toán FFT luồng thu [4] Kỹ thuật OFDM hiệu mạng đa truy cập, hệ thống truyền vô tuyến sợi quang (RoF) [5] Gần đây, nhiều nghiên cứu tập trung vào cải thiện chất lượng hệ thống quang vô tuyến dùng kỹ thuật OFDM[6] Trong báo này, phát khả tự đồng tín hiệu MPAM đơn cực hệ thống OFDM đề xuất ứng dụng vào hệ thống quang vô tuyến Hệ thống quang vô tuyến đề cập phát triển để ứng dụng cho hệ thống vô tuyến môi trường quang tự (Radio-on-free space optical: RoFSO) Đây hệ thống đề xuất thời gian gần [7] Phần lại báo trình bày sau: phần trình bày nguyên lý quang vô tuyến, phần tự đồng tín hiệu MPAM, phần trình bày hệ thống quang vô tuyến dùng OFDM, phần trình bày kết mô phỏng, phần cuối kết luận TỰ ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU MPAM TRONG OFDM Gọi liệu cần truyền có dạng X i (i  1, , N ) , N s(t   ) tín hiệu dịch vòng  lần tín hiệu s (t ) số sóng mang con,  1, , N   const , Biến đổi Fourier đảo tín hiệu X : ISBN: 978-604-82-1375-6 76 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM N s(t )   X i e j 2 ift (17) i 1 Sau thêm cyclic prefix lấy lại N mẫu, giải sử việc lấy bi lệch tín hiệu sau loại cyclic prefix sau:  ký hiệu so với ban đầu Ta có N s(t   )   X i e j 2 if (t  ) (18) i 1 Sau thực biến đổi FFT thuận ta có kết sau: N  N  X ' (k )     X i e j 2 if (t  )  e j 2 lft l 1  i 1  (19) Do tính trực giao của hàm sóng mang nên phương trình trở thành N X ' (k )   i 1 X e i j 2 if  (20) Để tiện tính toán, ta đặt x  2 if  X i'  X i  cos( x)  j sin( x)  (21) Để khôi phục tín hiệu ban đầu, ta tính biên độ tín hiệu nhận X i'  X i  cos( x)    sin( x)   X i (22) Như vậy, để hệ thống tự đồng tín hiệu MPAM, ta cần tính biên độ tín hiệu nhận NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG QUANG VÔ TUYẾN Điều chế cường độ tách sóng trực tiếp Nhiệm vụ đầu phát quang chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang phát tín hiệu kênh truyền Laser Diode (LD) thường sử dụng làm nguồn phát quang Đối với LD điều chế tuyến tính, tín hiệu điện mang thông tin s(t) điều chế thành công suất quang theo công thức: P(t )  P0 [1  m.s(t )] (23) với P0 công suất trung bình đầu phát m số điều chế quang Đối với LD có điều chế không tuyến tính, chúng tồn méo dạng điều chế Công suất chủ yếu méo dạng điều chế (IMD) hàm bậc [8] Do vậy, công suất quang phát P(t) tính sau : P(t )  P0[1  s(t )  3s3 (t )] (24) với 3 hệ số phi tuyến bậc Tại đầu thu, gọi X(t) công suất tức thời nguồn phát quang Y(t) dòng tức thời sau photodetector Y(t) tỉ lệ thuận với tổng công suất thu Y (t )  RX (t )  h(t )  N (t ) (25) với R đáp ứng photodetector,  nhân chập, h(t) đáp ứng kênh truyền quang, N(t) nhiễu mô nhiễu AWGN có phương sai biểu thức sau [9]:    bg   th2  2qrpbg Abg Inbf Rb  th2  với  bg kBTabs RF (26) I nbf Rb với q điện tích electron, r đáp ứng photodetector, pbg độ xạ nguồn nhiễu đẳng hướng, Abg diện tích vùng detector,  băng thông nhiễu quang, I nbf hệ số băng thông nhiễu, Rb tốc độ bit, kB số Boltzmann, Tabs nhiệt độ tuyệt đối, RF điện trở hồi tiếp tiền khuếch đại Khi sử dụng OFDM, khoảng băng thông cần thêm vào cho khoảng tiền tố vòng Đối với môi trường ISBN: 978-604-82-1375-6 77 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM nhà, khoảng tiền tố vòng không đáng kể so với tổng thông tin có ích nên phương sai nhiễu tính biểu thức (4) Kênh truyền quang không dây Hình trình bày mô hình kênh truyền quang vô tuyến nhà [10].Trong trường hợp đơn giản, mô hình kênh truyền quang không dây nhà đường truyền thẳng có đáp ứng phẳng Đáp ứng kênh truyền tính sau [10]: h(0) (t; S , R)  n21 cosn ( )d .rect  FOV  (t  R / c) (27) với S đầu phát; R đầu thu;  góc đầu thu; FOV vùng nhìn thấy (field of view); d  góc đối diện với đầu thu; n số mode búp xạ tính công thức: n    ln / ln(cos 1/2 )  ; 1/ góc truyền nửa công suất Trong trường hợp có phản xạ, thời gian trễ truyền dẫn tưng ứng tính dựa vận tốc ánh sáng Đáp ứng đường thứ k tính sau[10]: h( k ) (t ; S , R )  n 1 2 K  i cos n ( )cos( ) R2 i 1 rect  2  h(k 1) (t  Rc ;{r , nˆ,1}, R)A (28)  i hệ số phản xạ nˆ tác động lên bề mặt, A vùng phản xạ nˆS R( )  nˆR R Đầu phát  FOV Đầu thu AR Hình Mô hình kênh truyền nhà HỆ THỐNG OFDM QUANG VÔ TUYẾN Mô hình hệ thống OFDM quang vô tuyến trình bày Hình Khi qua kênh truyền LOS, hệ thống OFDM quang vô tuyến hệ thống MIMO phân tích tương tự điều kiện kênh truyền biết trước PD Remove CP & FFT n(t ) Information bits R(t ) Symbol Demapper … P ' (t ) … IFFT & CP LD P(t ) Zero Forcing U (t ) … Symbol Mapper … Information bits … Uˆ (t ) Hình Mô hình hệ thống OFDM quang vô tuyến Ta xét tín hiệu quang truyền P (t ) bao gồm không tuyến tính LD Do vậy, tín hiệu nhận đầu thu: ISBN: 978-604-82-1375-6 78 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM K H P ' (t )  k 1 K   kP (t ) (29) H k P0 [1  U i (t )   3U i3 (t )] k 1 Tín hiệu điện đầu thu sau thêm nhiễu: R  rP ' (t )  n(t ) K r H k P (t )  n(t ) (30) k 1 K S  H [1  U (t )   U k i 3 i (t )  n(t )] k 1 với S  r.P0 Tín hiệu đầu thu tách thuật toán ZF biểu diễn sau: Uˆ (t )  rP(t )  K  D n(t ) k k 1  S[1  U i (t )  3U i3 (t )]  (31) K  D n(t ) k k 1 Tín hiệu kênh sau Matched Filter bao gồm dòng mong muốn nhận D(t ) , phi tuyến Z (t ) nhiễu: K U ' (t )  D(t )  Z (t )   D n(t ) (32) k k 1 với Di (t ) Zi (t ) tính sau[11]: Di (t )  S[m 3m03 34 (2N 1)].R(t  k )cos(1t  1 ) Zi (t )  S m03 S m03 N  N    Rk (t   k ) cos (2q  k )t  (2q  k )  q  k  2, k  q N N   N     (34) R p (t   p ) Rq (t   q ) Rk (t   k ) cos ( p  q  k )t  k )  p  q  2, q  p k  2, k  q , p  (33)    cos ( p  q  k )t  k )  cos ( p  q  k )t  k ) , 1   k   K  với m0 số điều chế quang Trong trường hợp có LOS, đầu thu ước lượng xác pha độ trễ tín hiệu sóng mang k=1, ta đặt 1  SINR BER luồng thứ i xác định sau: E  Di2   12 [m 3m03 34 (2 N  1)]2 S    var  Z i   12  32m06    23    (35)  ( N  1) N  74  S  (36) Như vậy: ISBN: 978-604-82-1375-6 79 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM SINRi    E Di2  Di  var Zi  Khi sử dụng 2-PAM, BER luồng thứ i tính sau: BERi  12 erfc  SINRi  (37) (38) Như vậy, BER tổng cộng hệ thống coi trung bình BERi: N BER  N  BER i (39) i 1 Như vậy, qua kênh truyền LOS chất lượng hệ thống OFDM không khác biệt so với hệ thống đơn sóng mang Tuy nhiên, qua kênh truyền có phản xạ, hệ thống OFDM loại bỏ ảnh hưởng can nhiễu liên ký hiệu (ISI) tiền tố vòng (CP) Do đó, việc ước lượng cân thực dễ dàng chất lượng hệ thống cải thiện KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Các thông số mô hệ thống OFDM quang không dây liệt kê Bảng Bảng Thông số hệ thống MIMO quang không dây Kí hiệu Giá trị P0 0,1W TS ( ) 1, R 0, 75 A / W Pbg 5,8W / (cm2 nm) K I nbf 0, 562 Tabs 3000 K A 1, 0cm2 g ( ) 1,  30nm 1/ 100 , 150 , 200 m0 0,5 RF 10K N 64 Rb 100Mbps Hệ thống dùng 64 sóng mang con, pilot, khoảng bảo vệ chọn lớn thời gian trễ kênh Trong trường hợp có đường truyền thẳng, khoảng bảo vệ bỏ qua Hình 3là mô hình thiết lập mô điều kiện có đường truyền thẳng Đầu phát đầu thu cách 5m Hình 4trình bày thiết lập mô hệ thống OFDM trường hợp có phản xạ góc tới đường phản xạ với góc công suất (200) Trong trường hợp góc công suất 100 150, góc đường phản xạ giảm xuống tương ứng Hình trình bày kết hệ thống OFDM trường hợp kênh truyền có đường truyền thẳng Kết cho thấy ta tăngR nhiễu công suất tín hiệu thu giảm Kết phù hợp với phương trình lỗi Trong trường hợp có đường phản xạ, hệ thống OFDM hiệu so với hệ thống quang đơn sóng mang nhờ khả loại bỏ đa đường phía thu khoảng bảo vệ Đồng thời việc ước lượng khắc phục hiệu ISBN: 978-604-82-1375-6 80 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM ứng kênh thực dễ dàng miền tần số nhờ vào pilot Hơn việc xác định điểm loại cyclic prefix không ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Tx R=5m Rx Hình Mô hình mô hệ thống OFDM với đường truyền thẳng (LOS) Tx 20 R Phản xạ 200 Rx Hình Mô hình mô hệ thống OFDM có phản xạ Hình Kết hệ thống OFDM trường hợp có phản xạ KẾT LUẬN Bài báo đề xuất việc tự đồng tín hiệu MPAM đơn cực hệ thống quang vô tuyến Kết phân tích cho thấy hệ thống hoàn toàn đồng không cần phải xác định xác khoảng cyclic prefix Kỹ thuật OFDM cho kết tốt cho môi trường truyền có phản xạ nhà Các phương trình SINR BER kiểm chứng cách mô hệ thống phần mềm Việc khảo sát SINR BER cho thấy hệ thống OFDM quang vô tuyến nhà cho chất lượng tốt hệ thống đơn sóng truyền qua môi trường có phản xạ Những vấn đề đánh giá phân tích tối ưu thông số thiết kế cần nghiên cứu ISBN: 978-604-82-1375-6 81 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM AN AUTO SYNCHRONIZATION TECHNIQUE OF UNIPOLAR MPAM SIGNALS AND ITS APPLICATION FOR OPTICAL WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS Dang Le Khoa1, Nguyen Huu Phuong1, Hiroshi Ochi2 University of Science, VNU-HCM Kyushu Institute of Technology, Japan ABSTRACT Optical wireless systems have attracted attention, because they allow high-speed transmission without electromagnetic interference Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) can send multiple high speed signals by using orthogonal carrier frequencies Recently, studies have been focused on the optimal OFDM technique for optical wireless systems When using OFDM, one important issue is to be considered in definingthe cyclic prefix and removing its from the frame before the receiver detects signals In this paper, we propose a newauto synchronization technique of unipolar MPAM signals It can removethe cyclic prefix in any sample of the OFDM frame usingunipolar MPAM It is a candidate forwideband systems and using 2-PAM or 4-PAM.a few level.The results of mathematical analysis and simulations show thatit can be used for optical wireless systems Keywords: optical wireless, MIMO, OFDM TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Y Shi, S Member, C M Okonkwo, D Visani, H Yang, H Van Den Boom, and G Tartarini, “Ultrawideband Signal Distribution Over Large-Core POF for In-Home Networks,” J Light Technol., vol 30, no 18, pp 2995–3002, 2012 [2] A C Boucouvalas, “Indoor ambient light noise and its effect on wireless optical links,” IEE Proc Optoelectron., vol 143, no 6, 1996 [3] R A Cryan, “Sensitivity evaluation of optical wireless PPM systems utilising PIN-BJT receivers,” IEE Proc.-Optoelectron, vol 14, no 6, pp 355–359, 1996 [4] Đ L Khoa, N T An, B H Phú, and N H Phương, “Thực hệ thống OFDM phần cứng,” Tạp chí PTKHCN ĐHQG TPHCM, vol 12, pp 73–83, 2009 [5] C Lin and A Using, “Studies of OFDM Signal for Broadband Optical Access Networks,” IEEE J Sel Areas Commun., vol 28, no 6, pp 800–807, 2010 [6] S Dimitrov, S Member, and H Haas, “Information Rate of OFDM-Based Optical Wireless Communication Systems With Nonlinear Distortion,” J Light Technol., vol 31, no 6, pp 918–929, 2013 [7] D R Kolev, K Wakamori, and M Matsumoto, “Transmission Analysis of OFDM-Based Services Over Line-of-Sight Indoor Infrared Laser Wireless Links,” J Light Technol., vol 30, no 23, pp 3727–3735, Dec 2012 [8] S K K Kumamoto, K Tsukamoto, “Nonlinear distortion suppression scheme in optical direct FM radioon-fiber systems,” IEICE Trans Electron, vol E84–C, pp 541–546, 2001 [9] J R BARRY, “Wireless Infrared Communications,” Kluwer Acad Publ., vol 9219, no 97, 1997 [10] J R Barry, J M Kahn, W J Krause, E a Lee, and D G Messerschmitt, “Simulation of multipath impulse response for indoor wireless optical channels,” IEEE J Sel Areas Commun., vol 11, no 3, pp 367–379, Apr 1993 [11] D Takase and T Ohtsuki, “Optical wireless MIMO communications (OMIMO),” IEEE Glob Telecommun Conf GLOBECOM ’04., vol 2, no 5, pp 928–932, 2004 ISBN: 978-604-82-1375-6 82