Tỉ lệ lỗi bit của hệ thống DCO-OFDM qua kênh truyền phản xạ khuếch tán

Kỹ thuật thêm điện thế nền DC cho tín hiệu OFDM được gọi là DCO-OFDM được sử dụng phổ biến trong hệ thống truyền thông không dây quang. Trong bài báo này, chúng tôi lần đầu tiên trình bày phương pháp xác định tỉ lệ lỗi bit (BER) cho hệ thống DCO-OFDM qua kênh truyền phản xạ khuếch tán bằng phương pháp số. Phương trình xác định tỉ lệ lỗi bit dựa trên phân tích hàm mật độ xác xuất của với giải định kênh truyền có phân phố Rician. Mô hình mô phỏng được đề xuất, và kết quả mô phỏng cho thấy phù hợp với phân tích lý thuyết.

TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ T4- 2017 Tỉ lệ lỗi bit hệ thống DCO-OFDM qua kênh truyền phản xạ khuếch tán • • • • Đặng Lê Khoa Huỳnh Quốc Anh Nguyễn Vũ Linh Nguyễn Hữu Phương Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM • Hiroshi Ochi Kyushu Institute of Technology, Japan TÓM TẮT Kỹ thuật thêm điện DC cho tín hiệu OFDM gọi DCO-OFDM sử dụng phổ biến hệ thống truyền thông không dây quang Trong báo này, chúng tơi lần trình bày phương pháp xác định tỉ lệ lỗi bit (BER) cho hệ thống DCO-OFDM qua kênh truyền phản xạ khuếch tán phương pháp số Phương trình xác định tỉ lệ lỗi bit dựa phân tích hàm mật độ xác xuất với giải định kênh truyền có phân phố Rician Mơ hình mơ đề xuất, kết mơ cho thấy phù hợp với phân tích lý thuyết Từ khóa: DCO-OFDM, khơng dây quang, tỉ lệ lỗi bit, phản xạ khuếch tán MỞ ĐẦU Truyền thông không dây quang ứng viên tiềm cho mạng truyền thông không dây hệ thứ (5G) [1] Hiện nay, nhiều hệ thống không dây quang đầu tư nghiên cứu đạt tới tốc độ vài trăm Mb/s [2] Đường truyền không dây quang bị suy hao phản xạ khuếch tán (diffuse reflection) tương tự tượng truyền đa đường truyền sóng điện từ Khi đó, kỹ thuật OFDM sử dụng để gửi luồng liệu tốc độ cao Do tín hiệu đặt vào LED phải thực khơng âm, nên kỹ thuật OFDM cần phải có cải tiến Nhiều kỹ thuật đề xuất cộng thêm điện chiều (DCO-OFDM), xén đối xứng (ACOOFDM), phân cực vòng (CPO-OFDM), xếp liệu để tạo tín hiệu đơn cực (UOFDM) [3, 4] Trong đó, hai kỹ thuật quan tâm DCO-OFDM cấu trúc đơn giản ACO-OFDM hiệu suất sử dụng công suất cao Các nghiên cứu trước quan tâm đến chất lượng, tốc độ, dải động, dạng tín hiệu hệ thống OFDM khơng dây quang [5-7] Phần lớn nghiên cứu tập trung vào kênh truyền AWGN Tuy nhiên, kênh truyền không dây quang thực tế bị ảnh hưởng phản xạ khuếch tán [8-11] Hiện nay, có nhiều đề xuất khác cho mơ hình kênh truyền quang khơng dây Đối với mơi trường truyền nhà, phân bố Rician sử dụng để mơ hình kênh khơng dây quang [12] Bài báo tập trung xây dựng phương trình xác định tỉ lệ lỗi bit phương pháp số cho hệ thống DCO-OFDM qua kênh truyền phản xạ khuếch tán MƠ HÌNH HỆ THỐNG Gọi D(i ) bit liệu đầu vào, bit ánh xạ chòm thành ký hiệu X (k ) Các ký hiệu phức tạo từ chòm MPAM, BPSK, QPSK M-QAM ghép thành cấu trúc định Xfame Do tín hiệu miền thời gian sử dụng để điều chỉnh cường độ LED nên tín hiệu phải thực dương trước điều chỉnh cường độ LED [13] Trang 163 Science & Technology Development, Vol 20, No.T4-2017 Có nhiều phương pháp để tạo tín hiệu thực khơng âm Phương pháp thêm DC phổ biến Tất sóng mang điều biến trừ tần số không, tần số điện DC Tín hiệu bị xén phần âm để trở thành dạng đơn cực thực điều biến cường độ để tạo thành sóng quang [14] Vì tín hiệu OFDM có tỉ số PAPR cao nên yêu cầu điện DC  dc đủ lớn Trong thực tế, tín hiệu xén bớt để giảm điện DC Cơng suất tín hiệu miền quang s ( opt ) phụ thuộc vào công suất Tx,bias phương trình: s (opt )  Tx,bias   dc (1) Tín hiệu sau ghép theo cấu trúc DCO-OFDM thực biến đổi Fourier rời rạc ngược (IFFT) để tạo thành tín hiệu miền thời gian Sau đó, khoảng tiền tố vòng thêm vào để đảm bảo tín hiệu khơng bị can nhiễu liên ký hiệu (ISI) Khối chuyển từ lưỡng cực sang đơn cực hệ thống DCO-OFDM thêm điện DC trước xén phần âm tín hiệu Để đảm bảo tín hiệu vào nằm dải hoạt động LED (light-emitting diode), tín hiệu xén ngưỡng xác định Ảnh hưởng xén đến đầu thu cách giả sử tín hiệu Trang 164 scun (n) chuyển thành lưỡng cực scbi (n) Lúc này, tín hiệu phát biểu diễn phương trình [6]: scbi  n    scp  t   dc  t  , (2) với   sbi scp (0) / scp scp (0) , hàm scbi s cp c bi tương quan chéo tín hiệu sc s cp , scp scp hàm tự tương quan tín hiệu s cp với độ dịch thời gian 0, dc (t ) thành phần méo dạng xén Đồng thời hàm chuyển LED khơng tuyến tính với tín hiệu vào, nên tiền méo dạng sử dụng để đảm bảo tuyến tín tín hiệu s(t ) so với tín hiệu hiệu vào scun (n) [15] Tín hiệu với ảnh hưởng xén diễn phương trình [6]: s  t   scun (t )  Tx,bias , (3) với Tx,bias công suất LED Dữ liệu số qua chuyển đổi số sang tương tự (DAC) để tạo thành tín hiệu tương tự điều khiển cường độ sáng LED Các DAC thiết lập cho đầu phù hợp với phạm vi hoạt động LED Hệ thống OFDM không dây quang mô tả Hình s un (n) scun (n) Pre-distortion & DAC Add CP s cp (n) Clipping s ( n) IFFT & P/S OFDM assembler … … X fame (k ) X (k ) Symbol Mapper Tx bits … D(i ) Bipolar to Unipolar TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SOÁ T4- 2017 s (t ) LED optical channel r cp (n) un r ( n) r (t ) r un (t ) ADC Unipolar to Bipolar Remove CP S/P & FFT … h(t ) r ( n) X ' (k ) Zero Forcing … Xˆ fame (k ) OFDM disassembler Xˆ (k ) … Symbol Demapper … Rx bits Dˆ (i ) PD n(t ) Hình Mơ hình hệ thống OFDM khơng dây quang Tại đầu thu, r (t ) dòng tức thời sau photodetector tỉ lệ thuận với tổng công suất thu được: Các ký hiệu mang thơng tin Xˆ (k ) có cách chọn vị trí mang thơng tin theo cấu trúc DCO-OFDM r un (t )  RPD s(t )  h(t )  n(t ), (4) TỈ LỆ LỖI BIT CỦA HỆ THỐNG DCOOFDM với RPD đáp ứng photodetector,  tích chập, h(t ) đáp ứng kênh truyền quang, n(t ) nhiễu nhiệt nhiễu từ nguồn khác giả định nhiễu AWGN h(t ) mơ hình phân bố dạng Rician gồm đường truyền thẳng đường phản xạ khuếch tán [12, 16] Tín un hiệu r (t ) lấy mẫu để chuyển sang số r un (n) Sau đó, tín hiệu chuyển thành tín hiệu lưỡng cực loại tiền tố vòng Dữ liệu sau biến đổi FFT cho bởi: Do giới hạn công suất LED phát để bảo vệ mắt, tín hiệu DCO-OFDM hệ thống không dây quang bị xén hàm mô tả bởi: un ' X (f) RPD H ( f )S ( f ) N ( f ), (5) với H ( f ) , S ( f ) , N ( f ) biến đổi Fourier h(t ) , s(t ) n(t ) Giả sử, đầu thu ước lượng xác kênh truyền, tín hiệu đầu thu tách thuật toán ép khơng (ZF) phương trình: ˆ  S ( f )   R H ( f ) X PD 1 N ( f ) (6) DCO  Abot ,   pDCO  x    x,  DCO   Atop , DCO x  Abot 0 DCO DCO Abot  x  Atop , (7) DCO x  Atop DCO với Abot ngưỡng xén tín hiệu, x DCO tín hiệu OFDM tức thời, Atop ngưỡng xén tín hiệu Hàm phân bố tín hiệu DCOOFDM giống tín hiệu thơng thường tn theo phân bố Gaussian diễn tả phương trình: f DCO  x   2 DCO s  e x2 DCO s , (8) Trang 165 Science & Technology Development, Vol 20, No.T4-2017 DCO với s công suất trung bình tín hiệu DCO-OFDM xác định bởi: DCO s  ( N  2) N s  (9) Định lý Bussgang [17] sử dụng để phân tính cho hệ thống DCO-OFDM gồm hệ số tương quan  DCO , cơng suất sau xén tín hiệu công suất méo dạng là:   DCO  xp DCO  x  s DCO c Giá trị  lúc  2 DCO , c DCO e DCO s (10) dx s   p DCO  x   2    bot erfc( bot )  DCO s e x2 DCO s  s 1 erfc( bot )  erfc( top ), 2 (12) với  bot  Abot / DCO s DCO s Cơng suất tín hiệu sau xén tính phương trình (19)  VAR(scun (n))  scun (n)2  scun (n)   dx   p DCO  x  e  2 sDCO    DCO c x2 DCO s , (13)  dx    (14) xác định  top (  top  bot (  bot 1 ) ) e  e  erfc( bot )  erfc( top ) 2   1   top erfc( top )   bot erfc( bot )   (  ) ) e(  bot  e top    top erfc( bot )   (15) Công suất méo dạng xén hệ thống DCO-OFDM là: DCO c  DCO c  DCO s  G DCO DCO , s (16) DCO với G xác định: G DCO   bot erfc( bot )    top erfc( top )  Trang 166 DCO s Sử dụng phương pháp tích phân phần đổi biến số, giá trị  xác định bởi: Sử dụng phương pháp tính tích phân phần đổi biến số, DCO c x2   top  Atop / 2 DCO e (11) DCO c DCO c DCO s   x2 Tích phân tách thành ba tích phân:   2 DCO DCO Atop x2  Abot  s DCO DCO  xAbot e dx  x2 DCO  DCO s Abot    x2    DCO  xAtoDCO e s dx p DCO  ADCO s  top  top (  top  bot (  bot 1 ) ) e  e  erfc( bot )  erfc( top ) 2   1  bot erfc( bot )   (  ) ) e(  bot  e top    top erfc( bot )     (17)  dx         TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ T4- 2017 Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào tỉ số cơng suất tín hiệu công suất nhiễu méo dạng công suất nhiễu AWGN sau [6]: SNDRDCO  với s ( elec ) 2 / GB GB s ( elec ) Dc DCO  (18) , RPD h 2GDC công suất điện, GB độ lợi băng thông, GDC suy hao cơng suất có ích thêm điện PTx,bias Trong hệ thống DCOOFDM, hệ số GDC xác định bởi: s ( elec ) GDC dc s ( elec ) (19) Khi đó, giả sử kênh truyền có đường LOS, nhiễu hệ thống AWGN Lúc này, kênh truyền h số giả định RPD h2 =1 Tỉ lệ lỗi bit hệ thống xác định qua tỉ số tín hiệu nhiễu méo dạng SNDR xén xác định bởi: SNDRDCO   DCO s Dc DCO  2 = G DCO GB GDC (20) DCO s DCO s  GB GDC  pc DCO pc  GB DCO  pc c GDC s  (22) với M số mức điều biến, Eb / N0 tỉ số lượng bit lượng nhiễu kênh truyền AWGN chưa xén  viết lại sau:  pc  pc G DCO G N  B GDC Es (23) Tỉ lệ lỗi bit hệ thống phụ thuộc vào hàm mật độ xác suất tín hiệu bị xén qua kênh truyền Hàm tính cách sử dụng bổ đề đề xuất [18] Trước hết, biến thành pc hàm g ( ) : pc   GDC ES (  G DCO ) GB N0  g pc ( ) (24) Do pc công suất tức thời ( pc  ) nên điều kiện      / G xác suất  cho bởi: DCO Hàm mật độ  dg pc ( )  f    f pc  g pc ( )   ,    d      2 G DCO với f pc hàm mật độ xác xuất pc Trong hệ thống truyền thông không dây quang, pc mơ hình theo phân bố Rician nên f pc  g ( pc ), GB GDC f pc  pc   DCO s (21)  với pc  h(t ) Es E  log  M  b , N0 N0 cho phương trình:  pc DCO c DCO s  (25) Nếu gọi  tỉ số tín hiệu nhiễu méo SNDR tức thời sau qua kênh truyền có đáp ứng h(t ) nhiễu cộng,  có dạng: 2 DCO s cơng suất tức thời tín hiệu Tỉ số tín hiệu nhiễu hệ thống xác định:  K  1 r e   K 1 pc   K  r    I  pc   K  K  1  ,  r  (26) với K tỉ số đường LOS với đường NLOS, I hàm Bessel bậc loại 1, Pr cơng suất trung bình kênh truyền Hàm mật độ xác suất  qua kênh truyền Rician: Trang 167 Science & Technology Development, Vol 20, No.T4-2017   K  1 f    r với    2  GDC ES   G DCO GB N       e    K    G DCO  I  K 1 r GDC ES GB N0           ,  DCO  G    (27)  K  K  1 r GDC ES GB N   Tỉ lệ lỗi bit qua kênh truyền có hàm mật độ xác suất f   tính cơng G DCO thức [19]:   BER  BERAWGN   f   d (28) Tỉ lệ lỗi bit hệ thống DCO-OFDM xác định cách thay f   vào phương trình 2 G BER        BERAWGN         I     r  ( K  1) r  GDC Es   G DCO GB N       e    K  GDC Es  DCO  G  r  GB N0   K 1   (29)    K  K  1   d GDC Es  DCO (  G  )  GB N   Thực thay hàm Bessel cải tiến, phương trình viết lại sau: 2 G BERDCO         BERAWGN       2  e  r  ( K  1) r  GDC Es   G DCO GB N       e    K  GDC Es  DCO  G  r  GB N    (30)  K  K 1  cos u GDC Es  ( G DCO )  GB N  dud    Để xác định tỉ lệ lỗi bit phương pháp số, tỉ lệ lỗi bit qua kênh truyền AWGN thay phép tính tích phân Khi đó, tỉ lệ lỗi bit xác định thơng qua phép tính tích phân Trang 168  K 1 lớp Điều thực dễ dàng hỗ trợ phần mềm [20] Thí dụ, tỉ lệ lỗi bit tín hiệu QPSK (M  4) xác định phương trình: TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ T4- 2017  G  QPSK BERDCO     2          t      e        2GDC Eb DCO    G  r DCO  GB N  dtdud     K  K 1  K 1  K 2 cosu  2GDC Eb 2 G E  DCO )   DCO G DCO   r GBDCN0 b ( DC r O G  GB N   DCO ( K  1)  KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Hệ thống sử dụng 1024 sóng mang con, số sóng mang chứa thơng tin 511, khoảng bảo vệ Hình BER hệ thống DCO-OFDM qua kênh truyền AWGN với hệ số xén khác Trường hợp lý tưởng, hệ thống có hệ số xén bot top Trường hợp thứ (case 1), thứ hai (case 2), thứ ba (case 3) hệ thống có hệ số xén tương ứng 1, 02 8, , bot top 1,35 top 4, 73 , bot 2, 25 bot Trong đó, trường hợp thứ 2, 25 top xem trường hợp lý tưởng thực nghiệm Kết mô tương thích tốt với phương trình xác định BER hệ số xén khác Kết cho thấy hệ thống trường hợp lý tưởng cho kết tốt Tuy vậy, trường hợp thứ ba tối ưu có ý nghĩa thực nghiệm BER thấp so với trường hợp lại Trong trường hợp chọn hệ số xén tối ưu, ảnh hưởng xén tín hiệu khơng đáng kể Việc chọn hệ số xén khác ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng hệ thống Ví dụ Eb / No 15 dB , trường hợp thứ có BER 10 , trường hợp thứ hai thứ có tỉ lệ lỗi bit tương ứng 10 , 10 Khi tăng Eb / No chất lượng có khác biệt đáng kể hệ số xén khác ảnh hưởng nhiễu xén không đổi, nhiễu ảnh hưởng khác giảm Chất lượng hệ thống so với kênh truyền AWGN Hình Điều cho thấy tượng phản xạ khếch tán làm giảm chất lượng hệ thống Hình khảo sát tỉ lệ lỗi bit hệ thống DCO-OFDM trường hợp K khác  (31) sử dụng hệ số xén lý tưởng Kết mơ phù hợp hồn tồn với hệ số K khác Khi đầu thu di chuyển xa đầu phát hệ số K giảm nhanh chóng làm giảm chất lượng hệ thống Tại Eb / No 20 dB , tỉ lệ lỗi bit vị trí K 10 K 10 10 Hình BER hệ thống DCO-OFDM qua kênh truyền AWGN Hình BER hệ thống DCO-OFDM qua kênh truyền phản xạ khuếch tán Trang 169 Science & Technology Development, Vol 20, No.T4-2017 KẾT LUẬN Bài báo xây dựng công thức xác định tỉ lệ lỗi bit tín hiệu DCO-OFDM qua kênh phản xạ khuếch tán Kết mô phù hợp hồn tồn với cơng thức hệ số cắt hệ số K Các công thức giúp xác định chất lượng hệ thống DCO-OFDM Tỉ lệ lỗi bit tăng đáng kể chọn hệ số cắt khơng xác di chuyển đầu thu phát xa Phương trình xác định BER xây dựng dựa hàm mật độ phổ cơng suất tín hiệu bị xén qua kênh truyền fading Công thức xác định tỉ lệ lỗi bit cần tính tích phân lớp chúng thực dễ dàng với dự hỗ trợ phần mềm Hiện nay, mở rộng việc phân tích tỉ lệ lỗi bit cho hệ thống MIMO-OFDM Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (VNU-HCM) khn khổ đề tài mã số C2014-18-05 Bit error rate of DCO-OFDM system over an indoor diffuse link • • • • Dang Le Khoa Huynh Quoc Anh Nguyen Vu Linh Nguyen Huu Phuong University of Science, VNU HCM • Hiroshi Ochi Kyushu Institute of Technology, Japan ABSTRACT The technique named DC biased orthogonal frequency division multiplexing (DCO-OFDM) is the most popular method in optical wireless communication system In this article, we describe for the first time an exact numerical computation for the bit error rate (BER) of DCOOFDM over an indoor diffuse link The simulation model is also provided, and simulation results showed a good agreement with theoretical analysis Keywords: DCO-OFDM, optical wireless, bit error rate, diffuse link TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] H Haas, L Yin, Y Wang, C Chen, What is LiFi?, Journal of Lightwave Technology, 34, 1533–1544 (2015) [2] D Tsonev, S Videv, H Haas, Towards a 100 Gb/s visible light wireless access network, Optics Express, 23, 1627–1637 (2015) [3] J Armstrong, B.J.C Schmidt, Comparison of asymmetrically clipped optical OFDM and DC-biased optical OFDM in AWGN, IEEE Communications Letters, 12, 343–345 (2008) Trang 170 [4] D Tsonev, S Sinanovic, H Haas, Novel unipolar orthogonal frequency division multiplexing (U-OFDM) for Optical Wireless, in Vehicular Technology Conference (VTC Spring), 1–5 (2012) [5] S Dimitrov, H Haas, Information Rate of OFDM-Based Optical wireless communication systems with nonlinear distortion, Journal of Lightwave Technology, 31, 918–929 (2013) [6] S Dimitrov, S Sinanovic, H Haas, Clipping noise in OFDM-based optical TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SOÁ T4- 2017 wireless communication systems, IEEE Transactions on Communications, 60, 1072–1081 (2012) [7] S Dimitrov, S Sinanovic, and H Haas, Signal shaping and modulation for optical wireless communication, Journal of Lightwave Technology, 30, 1319–1328 (2012) [8] C.R Lomba, R.T Valadas, A.M de Oliveira Duarte, Efficient simulation of the impulse response of the indoor wireless optical channel, International Journal of Communication Systems, 13, 537–549 (2000) [9] J.M Kahn, W.J Krause, J.B Carruthers, Experimental characterization of nondirected indoor infrared channels, IEEE Transactions on Communications, 43, 1613–1623 (1995) [10] J.B Carruthers, J.M Kahn, Modeling of nondirected wireless infrared channels, IEEE Transactions on Communications, 45, 1260–1268 (1997) [11] H Schulze, Frequency-domain simulation of the indoor wireless optical communication channel, IEEE Transactions on Communications, 64, 2551–2562 (2016) [12] Z Ghassemlooy, W Popoola, S Rajbhandari, Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB®: CRC Press (2012) [13] R Mesleh, H Elgala, H Haas, On the Performance of different OFDM based optical wireless communication systems, IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking, 3, 620– 628 (2011) [14] D.J.F Barros, S.K Wilson, J.M Kahn, Comparison of orthogonal frequencydivision multiplexing and pulse-amplitude modulation in indoor optical wireless links, IEEE Transactions on Communications, 60, 153–163 (2012) [15] H Elgala, R Mesleh, H Haas, Nonlinearity effects and predistortion in optical OFDM wireless transmission using LEDs, International Journal of Ultra Wideband Communications and Systems, 1, 143–150 (2009) [16] J.H Churnside, S.F Clifford, Log-normal Rician probability-density function of optical scintillations in the turbulent atmosphere, Journal of the Optical Society of America A, 4, 1923–1930 (1987) [17] J Bussgang, Crosscorrelation functions of amplitude-distorted gaussian signals Research Laboratory of Electronics, Massachusetts Institute of Technology, Technical Report, 216 (1952) [18] H Bouhadda, H Shaiek, D Roviras, R Zayani, Y Medjahdi, R Bouallegue, Theoretical analysis of BER performance of nonlinearly amplified FBMC/OQAM and OFDM signals, EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, 2014, 1–16 (2014) [19] J.G Proakis, Digital Communications: McGrawHill (2000) [20] MathWorks (15th May, 2015) integral3 Available: http://www.mathworks.com/help/matlab/ref /integral3.html Trang 171 ... chất lượng hệ thống Tại Eb / No 20 dB , tỉ lệ lỗi bit vị trí K 10 K 10 10 Hình BER hệ thống DCO-OFDM qua kênh truyền AWGN Hình BER hệ thống DCO-OFDM qua kênh truyền phản xạ khuếch tán Trang 169... định tỉ lệ lỗi bit tín hiệu DCO-OFDM qua kênh phản xạ khuếch tán Kết mô phù hợp hồn tồn với cơng thức hệ số cắt hệ số K Các công thức giúp xác định chất lượng hệ thống DCO-OFDM Tỉ lệ lỗi bit. ..  GB N  dud    Để xác định tỉ lệ lỗi bit phương pháp số, tỉ lệ lỗi bit qua kênh truyền AWGN thay phép tính tích phân Khi đó, tỉ lệ lỗi bit xác định thơng qua phép tính tích phân Trang 168