Ước lượng kênh truyền cho truyền dẫn OFDM sử dụng phương pháp maximum likelihood (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN THỊ DIỆU HÂN ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN CHO TRUYỀN DẪN OFDM SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MAXIMUM LIKELIHOOD Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60 52 02 03 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2015 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TĂNG TẤN CHIẾN Phản biện 1: TS NGƠ MINH TRÍ Phản biện 2: PGS.TS NGUYỄN HỮU THẠNH Luận văn bảo vệ Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật điện tử Đại học Đà Nẵng vào ngày 21 tháng năm 2015 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cùng với phát triển xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin người ngày tăng nhanh Trong đó, thơng tin di động đóng vai trò lớn tính mềm dẻo linh hoạt Vì vậy, nhu cầu sử dụng hệ thống thông tin di động chiếm dụng tài nguyên vô tuyến ngày cao Nhưng đặc điểm truyền dẫn vô tuyến tài nguyên hạn chế, chất lượng phụ thuộc nhiều vào mơi trường: địa hình, thời tiết…dẫn đến làm hạn chế triển khai đáp ứng nhu cầu xã hội, nhà công nghiệp dịch vụ viễn thơng Đây thách thức cho nhà khoa học ngành Để đáp ứng yêu cầu băng rộng tính di động cao dịch vụ cung cấp cho người dùng, truyền dẫn ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM chọn giải pháp kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cho mạng băng rộng, tốc độ cao Bên cạnh thuận lợi hiệu sử dụng phổ tần số chất lượng truyền liệu công nghệ cao OFDM yêu cầu việc thực ước lượng kênh truyền vơ tuyến đa đường phải đạt độ xác cao trước tiến hành khôi phục liệu phát máy thu di động Để khắc phục vấn đề nhu cầu tìm hiểu nghiên cứu ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin di động cần thiết Luận văn tìm hiểu nghiên cứu ”ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN CHO TRUYỀN DẪN OFDM SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MAXIMUM LIKELIHOOD” khâu quan trọng việc thiết kế hệ thống thông tin di động Mục tiêu nghiên cứu Mục đích nghiên cứu đề tài: - Nghiên cứu vấn đề ước lượng kênh truyền hệ thống OFDM - Nghiên cứu kỹ thuật ước lượng LS (Least Square) - Nghiên cứu kỹ thuật ước lượng MMSE (Minimum Mean Square Error) - Nghiên cứu kỹ thuật ước lượng ML (Maximum Likelihood) - Xây dựng chương trình ước lượng kênh truyền - Mô so sánh phương pháp ước lượng để thấy rõ ưu điểm phương pháp, từ rút cách lựa chọn phương pháp ước lượng kênh truyền điều kiện thích hợp Đối tượng phạm vi nghiên cứu a Đối tượng nghiên cứu: - Nghiên cứu tổng quan OFDM - Nghiên cứu đặc tính kênh truyền vô tuyến - Nghiên cứu ước lượng kênh truyền hệ thống OFDM - Nghiên cứu chương trình mơ phương pháp LS, MMSE ML b Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu kênh truyền vô tuyến đa đường mạng di động, phương pháp ước lượng kênh truyền đánh giá kênh truyền qua kết mô ngôn ngữ MATLAB Phương pháp nghiên cứu - Thu thập, phân tích tài liệu thông tin liên quan đến đề tài - Nghiên cứu kỹ thuật ước lượng kênh sở lý thuyết - Xây dựng chương trình mơ phỏng, thu thập kết số liệu - Tiến hành phân tích, so sánh lựa chọn hợp lý kỹ thuật ước lượng nhằm giảm sai khác hàm truyền kênh phát so với kênh thu nhiều nguyên nhân trình truyền dẫn Ý nghĩa thực tiễn đề tài: Đề tài tham gia vào việc nghiên cứu ước lượng kênh truyền cho truyền dẫn OFDM sử dụng phương pháp Maximum Likelihood, việc ước lượng kênh truyền đóng vai trò quan trọng hệ thống thơng tin nói chung hệ thống OFDM nói riêng OFDM ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thơng tin tốc độ cao, ngày có nhiều hệ thống thơng tin ứng dụng kỹ thuật OFDM Ứng dụng kỹ 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 Cấu trúc luận văn: Luận văn bao gồm chương tóm tắt sau: Chương 1: Tổng quan OFDM Các nguyên lý OFDM, đơn sóng mang, đa sóng mang, trực giao, kỹ thuật điều chế OFDM tính đồng Chương 2: Các đặc tính kênh truyền vơ tuyến Các đặc tính kênh truyền vơ tuyến hệ thống OFDM như: hiệu ứng đa đường, dịch Doppler, nhiễu AWGN, nhiễu liên kí tự ISI nhiễu liên sóng mang ICI giới hạn băng thông OFDM Chương 3: Ước lượng kênh truyền hệ thống OFDM Ước lượng theo kiểu xếp pilot dạng khối ước lượng theo kiểu xếp pilot dạng lược cân hệ thống OFDM Chương 4: Mô ước lượng kênh truyền hệ thống OFDM Sử dụng phần mềm MATLAB để mô phương pháp LS, MMSE ML Và phần kết luận hướng phát triển đề tài Từ kết mô phỏng, phân tích đánh giá để kết luận phương pháp ước lượng trình bày hướng phát triển đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ OFDM 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Chương giới thiệu khái niệm, nguyên lý OFDM Các nguyên lý OFDM , kỹ thuật đơn sóng mang, kỹ thuật đa sóng mang kỹ thuật điều chế OFDM tính đồng Bên cạnh có ứng dụng ưu nhược điểm hệ thống OFDM 1.2 CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA OFDM Nguyên lý OFDM chia luồng liệu tốc độ cao thành luồng liệu tốc độ thấp phát đồng thời số sóng mang trực giao.Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho sóng mang song song tốc độ thấp hơn, lượng nhiễu gây độ trải trễ đa đường giảm xuống Nhiễu xuyên kí tự ISI hạn chế hoàn toàn việc đưa vào khoảng thời gian bảo vệ symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, symbol OFDM bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu sóng mang ICI 1.3 ĐƠN SĨNG MANG Hệ thống đơn sóng mang hệ thống có liệu điều chế truyền sóng mang 1.4 ĐA SĨNG MANG Nếu truyền tín hiệu khơng phải sóng mang mà nhiều sóng mang, sóng mang tải phần liệu có ích tải băng thơng chịu ảnh hưởng xấu đáp tuyến kênh có phần liệu có ích bị mất, sở liệu mà sóng mang khác mang tải khơi phục liệu có ích 1.5 SỰ TRỰC GIAO Sự trực giao có mối quan hệ xác tần số sóng mang hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thơng thường, sóng mang cách khoảng phù hợp để tín hiệu thu nhận lại cách sử dụng lọc giải điều chế thông thường Trong máy khoảng bảo vệ cần dự liệu trước sóng mang khác Việc đưa vào khoảng bảo vệ làm giảm hiệu sử dụng phổ hệ thống • Trực giao miền tần số Một cách khác để xem tính trực giao tín hiệu OFDM xem phổ Trong miền tần số sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sin Đó kết thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo sóng mang 1.6 CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TRONG OFDM 1.7 ĐỒNG BỘ 1.8 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA OFDM 1.9 KẾT LUẬN CHƯƠNG Nội dung chương đưa khái niệm số vấn đề liên quan OFDM Thực tế phải xét ảnh hưởng kênh truyền vơ tuyến lên tín hiệu q trình truyền Vì ảnh hưởng tín hiệu thu bị suy giảm biên độ, bị thông tin số chỗ, mát công suất…Chương sau đề cập đến đặc tính kênh truyền OFDM CHƯƠNG CÁC ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Kênh truyền tín hiệu OFDM mơi truyền truyền sóng máy phát máy thu Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận bên thu truyền theo tầm nhìn thẳng Tuy nhiên thực tế, kênh truyền tín hiệu vơ tuyến bị thay đổi Việc nghiên cứu đặc tính kênh truyền quan trọng chất lượng hệ thống vơ tuyến phụ thuộc vào đặc điểm 2.2 ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG OFDM 2.2.1 Sự suy giảm tín hiệu Sự suy giảm tín hiệu suy hao mức cơng suất tín hiệu q trình truyền từ điểm đến điểm khác Điều đường truyền dài, nhà cao tầng hiệu ứng đa đường 2.2.2 Hiệu ứng đa đường • Rayleigh fading Trong đường truyền vơ tuyến, tín hiệu RF từ máy phát bị phản xạ từ vật cản đồi, nhà cửa, xe cộ….sinh nhiều đường tín hiệu đến máy thu dẫn đến lệch pha tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm • Fading lựa chọn tần số Trong đường truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ không phẳng có sóng phản xạ đến đầu vào máy thu Sự phản xạ dẫn đến tính hiệu đa đường cơng suất tín hiệu tương tự tín hiệu trực tiếp gây suy giảm cơng suất tín hiệu thu nhiễu • Trải trễ Tín hiệu vơ tuyến thu từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp tín hiệu phản xạ từ vật cản tồ nhà, đồi núi…Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm so với tín hiệu trực tiếp chiều dài truyền lớn Trải trễ thời gian trễ tín hiệu thẳng tín hiệu phản xạ cuối đến đầu vào máy thu 2.2.3.Dịch Doppler Khi nguồn tín hiệu bên thu chuyển động tương nhau, tần số tín hiệu thu khơng giống bên phía phát Khi chúng di chuyển chiều tần số nhận lớn tần số tín hiệu phát ngược lại chúng di chuyển xa tần số tín hiệu thu giảm xuống Đây gọi hiệu ứng Doppler 2.2.4 Nhiễu AWGN Trong thực tế, đường truyền luôn bị hỏng nhiễu Các mơ hình tốn học thơng thường nhiễu AWGN Đây mơ hình tốt cho hệ thống thực tế miễn nhiễu nhiệt tín hiệu thu nguồn Vì đơn giản nó, thường sử dụng để mơ hình nhiễu 2.2.5 Nhiễu liên ký tự ISI Nhiễu ISI, xét xem việc truyền tải chuỗi biểu tượng với dạng sóng u(t) Để gửi n th symbol bn, gửi bn(t-nT), T khoảng thời gian symbol 2.2.6 Nhiễu liên sóng mang ICI Hiệu việc lọc phần tín hiệu truyền qua kênh chất lượng tín hiệu nhận được ý nghĩa tượng gọi nhiễu kênh (ICI), ICI gây xung truyền để có chồng lấn với nhau, có nghĩa xung truyền khoảnh khắc thời gian làm lân cận xung ảnh hưởng đến q trình phát liệu gây lỗi kết nhiễu kết biểu tượng chồng lấn với Các cân trích chuỗi biểu tượng truyền cách chống lại ảnh hưởng ISI nâng cao khả phát biểu tượng xác Mục đích để đảo ngược tác động kênh có tín hiệu truyền với mục đích tái tạo tín hiệu ban đầu vào cuối thu 2.2.7 Tiền tố lặp CP Tiền tố lặp CP kỹ thuật xử lý tín hiêu OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp ảnh hưởng nhiễu xuyên ký tự ISI, nhiễu xuyên kênh ICI đến tín hiệu OFDM, đảm bảo u cầu tính trực giao sóng mang phụ Để thực kỹ thuật này, trình xử lý, tín hiệu OFDM lặp lại có chu kỳ phần lặp lại phía trước ký tự OFDM sử dụng khoảng thời gian bảo vệ ký tự phát kề Vậy sau chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyền ký tự lúc bao gồm thời gian khoảng bảo vệ thời gian truyền thông tin có ích 10 W t Ntaps= ceil    F t  IFFT     (2.2) Trong đó: Ntaps: số taps lọc Wt : Độ rộng độ hàm cửa sổ dùng để tạo lọc IFFT: kích thước FFT sử dụng để tạo tín hiệu F t : Độ rộng độ lọc chuẩn hoá Ceil : phép làm tròn phía lớn 2.4.3 Ảnh hưởng lọc băng thông tới tiêu kỹ thuật OFDM Trong thời gian symbol OFDM có dạng hình chữ nhật, tương ứng với suy giảm dạng sin miền tần số Nếu dùng lọc băng thơng đến tín hiệu OFDM tín hiệu có dạng hình chữ nhật miền tần số, làm cho dạng sóng miền thời gian có suy giảm dạng sin symbol Điều làm cho ISI giảm tiêu kỹ thuật Có thể loại bỏ ISI việc lọc gây cách dùng khoảng bảo vệ có độ dài 2.5 MIỀN TẦN SỐ 2.6 MIỀN THỜI GIAN 2.7 QUAN HỆ GIỮA CÁC THÔNG SỐ TRONG CÁC MIỀN KHÁC NHAU 2.8 CÁC LOẠI PHA ĐINH PHẠM VI HẸP 2.9 PHÂN BỐ RAYLEIGH VÀ RICE 2.10 ẢNH HƯỞNG CỦA THỪA SỐ K KÊNH RICE VÀ TRẢI TRỄ LÊN CÁC THUỘC TÍNH KÊNH TRONG MIỀN TẦN SỐ 11 2.11 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương giới thiệu vài đặc truyền tính kênh truyền vơ tuyến ảnh hưởng đến tín hiệu truyền không gian Đồng thời loại nhiễu thường gặp hệ thống OFDM đề cập đến Chương ta giới thiệu kỹ thuật ước lượng kênh truyền hệ thống OFDM CHƯƠNG ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG OFDM 3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Có hai vấn đề việc thiết kế ước lượng kênh truyền cho hệ thống OFDM Vấn đề thứ liên quan đến việc chọn lựa pilot thông tin truyền Ký tự pilot với ký tự liệu truyền số cách khác cách cho hiệu khác Vấn đề thứ hai việc thiết kế lọc nội suy với hai yêu cầu kèm theo phải có độ phức tạp thấp hiệu suất tốt Hai vấn đề có mối liên hệ với nhau, hiệu suất lọc nội suy phụ thuộc vào pilot thông tin truyền 3.2 CÂN BẰNG 3.3 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 3.3.1 Sơ đồ hệ thống 12 3.3.2 Điều chế ký tự pilot thêm vào 3.3.3 Sự xếp pilot 3.3.4 Sắp xếp Pilot dạng khối 3.3.5 Sắp xếp Pilot dạng lược 3.3.6 Nguyên tắc chèn pilot miền tần số miền thời gian Tuy nhiên khoảng cách hai pilot liên tiếp phải tuân theo qui luật lấy mẫu miền tần số miền thời gian Ở miền tần số, biến đổi kênh vô tuyến phụ thuộc vào thời gian trễ truyền dẫn lớn kênh τmax.Với ký hiệu rf tỷ số lấy mẫu miền tần số, fs khoảng cách liên tiếp hai sóng mang phụ, khoảng cách hai pilot miền tần số Df phải thỏa mãn điều kiện sau đây: (3.6) Tỷ số lấy mẫu tối thiểu miền tần số rf phải Tỷ số lớn 1, số pilot nhiều cần thiết kênh truyền lấy mẫu vượt mức.Trong trường hợp khoảng cách hai pilot không thỏa mãn điều kiện lấy mẫu phương trình (3.6), có nghĩa rf < kênh truyền khơng thể khơi phục lại 13 hồn tồn thông qua pilot Tương tự miền tần số, khoảng cách miền thời gian hai pilot liên tiếp Dt phải thỏa mãn tiêu chuẩn lấy mẫu miền thời gian Sự biến đổi hàm truyền vô tuyến miền thời gian phụ thuộc vào tần số Doppler fD,max Theo tiêu chuẩn lấy mẫu miền tần số, khoảng cách Dt phải thỏa mãn điều kiện : (3.7) Tỷ số rt gọi tỷ số lấy mẫu miền thời gian Trong trường hợp điều kiện phương trình (3.7) khơng thõa mãn hàm truyền kênh vô tuyến khôi phục hoàn toàn máy thu 3.4 ƯỚC LƯỢNG THEO KIỂU SẮP XẾP PILOT DẠNG KHỐI Kiểu xếp pilot dạng khối giúp cho việc tính đáp ứng kênh truyền khơng phức tạp X(k) sóng mang biết Ngõ thu viết dạng ma trận sau: 14 3.4.1 Ước lượng tiêu chuẩn MMSE ( Minimum Mean Square Error) Phương pháp MMSE sử dụng thống kê kênh truyền bậc hai giả sử đáp ứng kênh truyền h Gauss không tương quan với nhiễu w Với giả thiết việc ước lượng hMMSE xây dựng từ ma trận auto-covariance RYY ma trận covariance chéo RhY Giả sử ma trận auto-covariance kênh truyền Rhh phương sai nhiễu (noise variance) σ N biết Ta có : Người ta tìm cơng thức để tính ước lượng MMSE sau : Lấy biến đổi DFT để có đáp ứng tần số, ta có: (3.8) Trong HLS ước lượng bình phương cực tiểu LS Kỹ thuật ước lượng MMSE có hiệu tốt so với ước lượng LS đặc biệt điều kiện SNR thấp Tuy nhiên, MMSE có độ phức tạp tính tốn cao u cầu phải lấy ma trận nghịch đảo lần X thay đổi 3.4.2 Ước lượng theo tiêu chuẩn LS ( Least Square) Bộ ước lượng bình phương nhỏ thực cực tiểu giá trị bình phương lỗi (Y-XFh)h(Y-XFh).Ước lượng LS biểu diễn bởi: 15 HLS=X-1Y Ước lượng LS có dạng đơn giản thích hợp với ứng dụng u cầu tính tốn nhanh với số phép tính tối thiểu 3.4.3 Bộ ước lượng MMSE cải tiến 3.4.4 Ước lượng ML (Maximum likelihood) Hầu hết lượng g nêu gần (L+1) tap xác định(L+1) tap g, L=[TG/TS]N Với gL+1=[g0,…,gL+1]T (L+1) tap Ma trận vuông DFT FA,B=[Wa,bN]AxB (0