Hiệu quả của mẫu Pilot cho ước lượng kênh truyền dẫn OFDM Trần Thị Hường

Hiệu quả của mẫu Pilot cho ước lượng kênh truyền dẫn OFDM Trần Thị Hường Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70 Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Quốc Tuấn Năm bảo vệ: 2012

Hiệu mẫu Pilot cho ước lượng kênh truyền dẫn OFDM Trần Thị Hường Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70 Người hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Tuấn Năm bảo vệ: 2012 Abstract: Trình bày kỹ thuật (ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) OFDM : khái niệm OFDM, nguyên tắc OFDM, tính chất trực giao OFDM, nhiễu ISI ICI, thuật toán FFT/IFFT, vấn đề kỹ thuật xây dựng mơ hình hệ thống Ước lượng kênh truyền OFDM hiệu mẫu Pilot: trình bày kỹ thuật ước lượng kênh truyền hệ thống OFDM, từ đưa hiệu mẫu Pilot cho ước lượng kênh Mô kết quả: mô kết đạt hiệu mẫu Pilot cho ước lượng kênh truyền dẫn OFDM đưa hướng phát triển đề tài tương lai Keywords: Kỹ thuật điện tử; Kỹ thuật truyền tin; Kênh truyền thông tin; Tần số trực giao Content CHƢƠNG KỸ THUẬT OFDM 1.1 Giới thiệu chƣơng Trong hệ thông tin vơ tuyến cần thiết phải có sóng mang cao tần để truyền thông tin Các kỹ thuật điều chế cho phép bố trí liệu sóng mang Các hệ thống thông tin tần số hạn chế tốc độ liệu hạn chế dung lượng Phương pháp để truyền tín hiệu số mà tiết kiệm băng tần OFDM OFDM kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 1.2 Nguyên tắc OFDM 1.2.1 Nguyên tắc Trong OFDM chuỗi liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) chia thành N chuỗi song song (1,2,…, N) có tốc độ thấp (R/N) N chuỗi điều chế N sóng mang phụ trực giao, sau sóng mang cộng với phát lên kênh truyền đồng thời Hình 1.1 Phổ tín hiệu FDM OFDM 1.2.2 Hệ thống OFDM Nhiễu Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống OFDM Ở máy phát, chuỗi liệu nối tiếp qua S/P biến đổi thành N chuỗi song song, chuỗi qua điều chế Ở ngõ điều chế, ta thu chuỗi số phức D0, D1, …, DN-1, Dk = Ak + jBk Chuỗi số phức vào IFFT: k j  n N  j 2f t 1 N 1 N k n   d n  D k e    Dk .e N k 0 N k 0 (1.1) Ngõ IFFT mẫu rời rạc ký hiệu OFDM miền thời gian y(n)  Re{d[n]}  N  N N 1  Re{( A k  jB k ).(cos2f k t n  jsin2f k t n )} k 0 N 1  ( A cos 2f t k k n  Bk sin2f k t n ) (1.2) k 0 Các mẫu y(n) chèn thêm khoảng bảo vệ, cho qua biến đổi D/A để trở thành tín hiệu liên tục y(t), khuếch đại, đưa lên tần số cao phát lên kênh truyền y (t )  N N 1  ( A cos2f t  B sin2f t ) k k k (1.3) k k 0 Trong trình truyền, kênh có nguồn nhiễu gây ảnh hưởng nhiễu Gausian trắng cộng AWGN Ở máy thu, ta làm q trình ngược lại: Tín hiệu OFDM đổi tần xuống, biến đổi A/D, loại bỏ khoảng bảo vệ, đưa vào FFT Sau giải điều chế, biến đổi từ song N 1 song sang nối tiếp để thu lại chuỗi liệu ban đầu Dk    d n.e  j 2 k n N (1.4) n 0 1.3 Tính trực giao Các tín hiệu trực giao chúng độc lập với Tính trực giao tính chất cho phép nhiều tín hiệu thơng tin truyền thu tốt kênh truyền chung khơng có xuyên nhiễu tín hiệu Một tập tín hiệu gọi trực giao đơi thỏa điều kiện K  Si (t).S j (t)dt  0 * TS i j (1.5) i j với S*(t) ký hiệu liên hợp phức S(t) Ts chu kỳ ký hiệu K số.Tập N sóng mang phụ kỹ thuật OFDM có biểu thức: k  sin(2 t ) TS f k (t)   0   t  TS (1.6) t  (0, TS ) với k = 0, 1, …, N-1 Các sóng mang có tần số cách khoảng FS  thỏa điều kiện (1.5)  k   k  Ta xét hai sóng mang Sin  2 t  Sin  2 t   TS   TS  trực giao đôi TS  k1 0 Sin  π TS TS   k t .Sin  π   TS  S t t  t dt   cos2 πk  k   cos2 πk  k  dt  (1.7) 0 TS TS   T Hình 1.4 Phổ sóng mang trực giao 1.4 Sử dụng FFT/IFFT OFDM Điều bất lợi số sóng mang cần có máy phát sóng sin, điều chế giải điều chế riêng nó, điều khơng thể chấp nhận số sóng mang phụ lớn việc thi công hệ thống Giả sử tín hiệu x(n) có chiều dài N (n = 0,1, 2, …, N-1) Công thức phép biến đổi DFT N 1 X ( k )   x ( n)e  j Nkn , k = 0, 1, …, N-1 (1.8) n 0 - Công thức phép biến đổi IDFT x ( n)  N 1 N  X ( k )e j Nkn , k = 0, 1, …, N-1 k 0 (1.9) 1.5 Nhiễu giao thoa ký tự nhiễu giao thoa sóng mang 1.5.1 Khái niệm Trong mơi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với khoảng thời gian khác thông qua nhiều đường khác Sự mở rộng chu kỳ ký tự gây chồng lấn ký tự thời với ký tự trước kết có nhiễu liên ký tự (ISI) Nhiễu gây ký tự sóng mang kế cận xem nhiễu xuyên kênh (ICI) ICI xảy kênh đa đường khác thời gian ký tự OFDM Dịch Doppler thành phần đa đường gây bù tần số sóng mang 1.5.2 Phƣơng pháp chống nhiễu liên ký hiệu Hình 1.7 Ảnh hưởng ISI Hình 1.7 cho ta thấy ký hiệu phiên trễ Chính thành phần trễ gây nhiễu ảnh hưởng đến phần đầu ký hiệu Đây nhiễu liên ký hiệu ISI 1.6 Hoạt động kênh vô tuyến 1.6.1 Tổng quan Trên thực tế, sóng vơ tuyến truyền từ trạm phát (BS: base station) đến đầu thu di động (MS: mobile station) chịu tác động nhiều yếu tố môi trường làm cho biên độ tín hiệu thay đổi, tượng gọi tượng fading Nếu đầu thu không đứng yên mà chuyển động có vận tốc tương BS xảy tượng Doppler, độ dịch chuyển tần số cho bởi: f D  f Dmaxcos( ) ,với f Dmax v fc c Hình 1.11 Mơ hình kênh truyền 1.6.2 Hiệu ứng đa đƣờng  Rayleigh fading Phân bố Rayleigh sử dụng để mô tả thời gian thống kê cơng suất tín hiệu thu Nó mơ tả xác suất mức tín hiệu thu fading Bảng 1.1 xác suất mức tín hiệu phân bố Rayleigh  Fading lựa chọn tần số Trong đường truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ khơng phẳng có sóng phản xạ đến đầu vào máy thu Sự phản xạ dẫn đến tượng đa đường làm suy giảm cơng suất tín hiệu  Trải trễ Trải trễ thời gian trễ tín hiệu thẳng tín hiệu phản xạ cuối đến đầu vào máy thu Hình 1.15 Trải trễ đa đường 1.6.3 Dịch tần Doppler Khi nguồn tín hiệu bên phát bên thu chuyển động tương nhau, tần số tín hiệu thu khơng giống bên phía phát Khi chúng di chuyển lại gần 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 1.6.4 Nhiễu AWGN Nhiễu AWGN tồn tất hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chủ yếu nhiễu nhiệt, nhiễu điện từ khuếch đại bên thu, nhiễu liên ô Các loại nhiễu gây nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI Nhiễu làm giảm tỉ số tín hiệu nhiễu SNR, giảm hiệu sử dụng phổ hệ thống 1.7 Các vấn đề kỹ thuật OFDM - OFDM giải pháp kỹ thuật thích hợp cho truyền dẫn vơ tuyến tốc độ cao Tuy nhiên, để đem áp dụng vào hệ thống, có ba vấn đề cần phải giải thực hệ thống sử dụng OFDM: + Ước lượng tham số kênh + Đồng sóng mang + Giảm tỉ số công suất tương đối cực đại PAPR 1.7.1 Ƣớc lƣợng tham số kênh Ước lượng kênh (Channel estimation) hệ thống OFDM xác định hàm truyền đạt kênh thời gian để thực giải điều chế bên thu bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến dùng tín hiệu dẫn đường (PSAM-Pilot signal assisted Modulation) Có hai vấn đề quan tâm sử dụng PSAM : - Vấn đề thứ lựa chọn tín hiệu pilot - Vấn đề thứ hai việc thiết kế ước lượng kênh 1.7.2 Đồng OFDM Đồng vấn đề quan tâm kỹ thuật OFDM có ý nghĩa định đến khả cải thiện nhược điểm OFDM Có ba loại đồng khác : Đồng ký tự, đồng tần số sóng mang, đồng tần số lấy mẫu 1.8 Ƣu khuyết điểm OFDM 1.8.1 Ƣu điểm - Tăng hiệu sử dụng băng thông - Bền vững với fading chọn lọc tần số ký hiệu có băng thơng hẹp nên sóng mang phụ chịu fading phẳng - Chống nhiễu liên ký hiệu ISI chu kỳ ký hiệu dài với việc chèn thêm khoảng bảo vệ cho ký hiệu OFDM - Sự phức tạp máy phát máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT IFFT - Có thể truyền liệu tốc độ cao 1.8.2 Khuyết điểm - Nhạy với offset tần số - Tại máy thu, khó khăn việc định vị trí định thời tối ưu để giảm ảnh hưởng ICI ISI - Tỷ số công suất đỉnh cơng suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) lớn 1.9 Ứng dụng OFDM cho mạng 4G 1.9.1 Lộ trình tiến lên 4G Hình 1.16 Lộ trình tiến lên 4G 1.9.2 Các hệ thống thơng tin di động đại WCDMA/HSDPA/HSUPA - WCDMA phát triển NTT DOCOMO ETSI giao diện vô tuyến 3G - Đặc điểm WCDMA: Dải thông 5MHz, tốc độ chíp 3,84Mcps; hệ số trải phổ biến đổi kết nối đa mã, tốc độ liệu thay đổi phạm vi rộng 1.9.3 Tƣơng lai phát triển OFDM Hình 1.17 Tương lai phát triển OFDM Các giải pháp cho 4G  Đa truy nhập: OFDMA (DL), MC-CDMA, SC-FDMA (UL)  Điều chế mã thích nghi (AMC)  ARQ lai (H-ARQ)  Song công lai (FDD/TDD)  MIMO 1.10 Tổng kết chƣơng Trong chương trình bày chi tiết kỹ thuật OFDM, đồng thời phân tích vấn đề kỹ thuật ảnh hưởng đến tiêu chất lượng hệ thống sử dụng OFDM CHƢƠNG ƢỚC LƢỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG OFDM VÀ HIỆU QUẢ CỦA MẪU PILOT 2.1 Giới thiệu chung OFDM giải pháp kỹ thuật thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao Tuy nhiên, để đem áp dụng vào hệ thống, có ba vấn đề cần phải giải thực hệ thống sử dụng OFDM: + Ước lượng tham số kênh + Đồng sóng mang + Giảm tỉ số công suất tương đối cực đại PAPR(Peak to Average Power Ratio) 2.2 Ƣớc lƣợng cân kênh 2.2.1 Giới thiệu Kênh suy hao theo tần số chọn lọc thay đổi theo thời gian thách thức người thiết kế hệ thống truyền thông không dây Việc nhận tín hiệu đa sóng mang OFDM phải thực vai trị kép ước lượng kênh cân kênh 2.2.2 Ƣớc lƣợng kênh Trong liên kết đa sóng mang, bit điều chế phân bổ suốt thời gian truyền thông qua tác động kênh truyền Kênh truyền sinh dịch chuyển biên độ pha tín hiệu điều chế đặc tính thay đổi theo thời gian tần số chọn lọc kênh truyền vô tuyến 2.2.3 Cân cho hệ thống OFDM Trong hệ thống OFDM, liệu ngõ vào thực điều biến để tạo thành tín hiệu dải gốc dạng phức chuyển từ nối tiếp thành N luồng song song tạo thành symbol OFDM Ta chuyển symbol OFDM thành tín hiệu OFDM phép biến đổi IFFT Tín hiệu OFDM s(t) truyền qua kênh truyền có đáp ứng xung h(t), đầu thu ta nhận r(t) Trong trường hợp có nhiễu AWGN n(t), ta có: r(t)=h(t)*s(t)+n(t) Tương ứng miền tần số, ta có: R(f)=H(f).S(f)+N(f) Việc thêm cyclic prefix giải vấn đề đồng symbol OFDM 2.3 Các phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh Có phương pháp để thực ước lượng kênh: 2.3.1 Ƣớc lƣợng kênh dùng tín hiệu Pilot (Pilot-Aided Channel Estimation - PACE) Tại bên phát, thực chèn tín hiệu biết (hoa tiêu) vào khung tín hiệu OFDM với khoảng cách định miền thời gian, tần số Tại bên thu, tín hiệu lấy mẫu tương ứng với điểm chèn hoa tiêu cho phép đánh giá kênh truyền hệ thống vị trí 2.3.2 Ƣớc lƣợng kênh đệ quy (Decision-Directed Channel Estimation - DDCE) Phương pháp chèn tín hiệu dạng hoa tiêu Tín hiệu biết (hoa tiêu hay chuỗi huấn luyện) chèn đầu khung Tại bên thu, dựa vào chuỗi huấn luyện để biết thơng tin kênh tạm thời Ban đầu tín hiệu định thông qua thông tin kênh tạm thời, sau thơng tin tín hiệu vừa xử lý lại tham gia vào việc định tín hiệu sau Khi tín hiệu lặp lại nhiều, tốc độ xử lý chung giảm đi, khó áp dụng cho ứng dụng địi hỏi thời gian thực mà khung liệu lớn 2.3.3 Ƣớc lƣợng kênh phƣơng pháp mù (Blind/Semi-Blind Channel Estimation BCE) Đây phương pháp không sử dụng việc chèn tín hiệu biết bên phát Quyết định tín hiệu dựa vào thơng tin tín hiệu thu Phương pháp có tốc độ truyền tin cao (do khơng chèn thêm tín hiệu hoa tiêu) tốc độ xử lý bên thu thấp chất lượng định không cao phương pháp Trong ba phương pháp phương pháp sử dụng pilot cho tín tín tốt sau sâu vào nghiên cứu phương pháp sử dụng Pilot 2.4 Phƣơng pháp sử dụng pilot Ở đầu thu, giá trị pilot cung cấp cho ước lượng kênh truyền, từ giá trị nhận giá trị gốc pilot ta tính tác động kênh truyền vị trí pilot nội suy toàn đáp ứng tần số kênh truyền cho symbol Sau đó, từ tín hiệu nhận đáp ứng kênh truyền ta khôi phục lại symbol OFDM gốc Pilot chèn với liệu có ích miền tần số miền thời gian trình bày hình sau Tuy nhiên, khoảng cách hai pilot phải tuân theo luật lấy mẫu miền tần số miền thời gian 10 Hình 2.2 Các pilot miền thời gian tần số Sự thay đổi kênh truyền miền tần số phụ thuộc vào thời gian trễ truyền dẫn lớn kênh  max Gọi rf tỉ số lấy mẫu miền tần số, f khoảng cách hai sóng mang con, khoảng cách hai pilot phải thoả điều kiện sau đây: rf  1 D f f max Tỷ số lấy mẫu tối thiểu miền tần số r f =1 Khi rf