Mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng trong thông tin vô tuyến di động

MỤC LỤC

Thuật ngữ viết tắt

DFT Discreat Fourier Transformation Biến đổi Fourier rời rạc DDS Direct Digital Synthesis Đồng bộ số trực tiếp DFE Decision Feed back Equalizer Phản hồi quyết định. FFT Fast Fourier Transformation Biến đổi Fourier nhanh FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung kim hữu hạn HDTV Hight Difinition Television Truyền hình độ nét cao HiperLAN2 High Performance Radio Local Area.

Giới thiệu chung

Những hạn chế của kỹ thuật hiện hành

Các kỹ thuật trải phổ được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có khả năng chống lại pha đinh và nhiễu [2], song tồn tại những yêu cầu không thực hiện được chẳng hạn: nếu người dùng cần có tốc độ 20 Mbps ở giao diện vô tuyến và hệ số trải phổ là 128 (giá trị điển hình hiện nay), dẫn đến phải xử lý tốc độ 2,56 Gbps theo thời gian thực vỡ thế cần cú độ rộng băng tần lớn khụng thực tế. Ở các phương pháp điều chế truyền thống M-QAM, M-PSK…, khi tốc độ dữ liệu truyền cao thì kéo theo độ rộng ký hiệu sẽ giảm, đến một giá trị mà độ rộng ký hiệu < trải trễ cực đại của kênh, khi đó kênh sẽ là kênh lựa chọn tần số và gây ISI cho tín hiệu thu.

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM

OFDM là một công nghệ cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn do đó dung sai đa đường lớn hơn rất nhiều so với các kỹ thuật đã sử dụng trước đây, cho phép khắc phục những nhược điểm căn bản của kỹ thuật đơn sóng mang.

Đặc tính kênh vô tuyến di động

Miền tần số
Miền thời gian
Quan hệ giữa các thông số trong các miền khác nhau
Phân bố Rayleigh và Rice
Các mô hình kênh trong miền thời gian và miền tần số

Khi ν và (hoặc θ) thay đổi dịch Doppler thay đổi dẫn đến trải Doppler. Chọn lọc tần số. Đồ án sẽ phân tích chọn lọc tần số cùng với một thông số khác trong miền tần số: băng thông nhất quán. Băng thông nhất quán là một số đo thống kê của dải tần số trên một kênh. Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động Đồ án tốt nghiệp Đại học được truyền qua có khuếch đại như nhau và pha tuyến tính). • Hình 2.6 cho thấy mô hình của lý lịch trễ công suất trung bình (PDP: Power Delay Profile) cho một kênh vô tuyến đa đường. Đường đầu tiên là LOS có công suất lớn nhất. Sau đó là các đường có mức công suất không đổi cho đến trễ trội mà sau đó các đường có công suất giảm tuyến tính theo dB. Có thể biểu diễn PDP này theo dB như sau:. Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động Đồ án tốt nghiệp Đại học. đoạn giảm tuyến tính).

Hình 2.3 Phân bố xác suất Rayleigh trong không gian, , [sim_rayleigh.m]

Nguyên lý hoạt động của OFDM

Tính trực giao

Theo đó trước hết ta định nghĩa tính trực giao, sau đó ta áp dụng tính trực giao này vào hệ thống truyền dẫn OFDM hay nói cách khác sử dụng tính trực giao vào quá trình tạo và thu tín hiệu OFDM cũng như các điều kiện cần thiết để đảm bảo tính trực giao. Tần số băng tần cơ sở của mỗi sóng mang con được chọn là một số nguyên lần của tốc độ ký hiệu, kết quả là toàn bộ các sóng mang con sẽ có tần số là số nguyên lần của tốc độ ký hiệu.

Hình 3.1 Dạng sóng của một tín hiệu OFDM trong miền thời gian và tần số, [sim_ofdm_time_domain.m]

Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM

Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

Hầu hết các ứng dụng vô tuyến, thì tín hiệu OFDM được tạo ra tại băng tần cơ sở sử dụng các mẫu phức, sau đó chuyển phổ tín hiệu băng tần cơ sở lên phổ RF bằng cách dùng một bộ điều chế IQ, như được cho ở hình 3.7 và hình 3.8. Để tạo ra một tín hiệu OFDM thực chỉ cần một nửa các sóng mang con sử dụng cho điều chế dữ liệu, mặt khác nửa gồm các lát tần số cao của IFFT sẽ có giá trị biên độ là liên hợp phức của nửa còn lại gồm các lát có tần số thấp hơn.

Hình 3.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật tương tự

Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM

Điều chế thích ứng được sử dụng để thay đổi các thông số điều chế thích ứng theo trạng thái kênh để đạt được dung lượng kênh tốt nhất trong thời điểm xét mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn. Bắt đầu bằng việc xét cho trường hợp đơn giản với giả thiết là cấu hình các sóng mang con giống nhau, nghĩa là tất cả các sóng mang con đều có chung một cấu hình (điều chế, mã hóa, băng thông, công suất…).

Các nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng hệ thống truyền dẫn OFDM và các giải pháp

Giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống truyền dẫn OFDM

Trong hệ thống OFDM, ICI còn được gọi là nhiễu giao thoa giữa các sóng mang con, là hiện tượng năng lượng phổ của các sóng mang con chồng lấn quá mức lên nhau làm phá vỡ tính trực giao của các sóng mang con. Chúng ta có thể thấy kết quả trong hình 3.29 khi SNR thực vượt quá 26 dB đối với toàn bộ các sóng mang thậm trí khi sử dụng bộ lọc băng thông rất sắc cạnh và đặc tuyến cắt trong phạm vi một nửa khoảng cách sóng mang con [8].

Hình 3.13. Chèn thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM

Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh

Ước tính kênh bằng PSAM
Kỹ thuật cân bằng đáp ứng kênh

Bộ cân bằng ZF được thiết kế và được tối ưu bằng cách sử dụng tiêu chuẩn cưỡng bức về không (ZF), 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 (n≠0), trong đó T là khoảng thời gian truyền dẫn. Tuy nhiên OFDM là một công nghệ cho phép hạn chế các ảnh hưởng bất lợi của kênh: Giảm tốc độ ký hiệu phát (cho phép hạn chế ảnh hưởng của kênh pha đinh lựa chọn tần số, chuyển các ảnh hưởng của kênh pha đinh lựa chọn tần số thành kênh pha đinh phẳng), thêm khoảng thời gian bảo vệ (cho phép giảm thiểu tác động của hiệu ứng đa đường, giảm ISI).

Điều chế OFDM thích ứng

Mô hình hệ thống truyền dẫn điều chế thích ứng
Xây dựng giải thuật thích ứng cho hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng

Thực tế hay dùng phương pháp thích ứng theo mức điều chế (hay số lượng bit phân bổ cho mỗi ký hiệu OFDM). 5.3.2 Thuật toán thích ứng dựa theo mức điều chế. Trong hệ thống OFDM dữ liệu trước khi điều chế ký hiệu OFDM đều được điều chế sóng mang con. Quá trình điều chế sóng mang con thực chất là quá trình chuyển mức các bit dữ liệu phát. Có các sơ đồ điều chế chuyển mức khác nhau được sử dụng trong hệ thống OFDM như: M-PSK, M-ASK, M-QAM. Tùy thuộc điều kiện kênh truyền hay yêu cầu tiết kiệm năng lượng mà ta sẽ chọn sơ đồ điều chế phù hợp. M-QAM có ưu điểm nổi bật là cấu tạo bộ thu đơn giản tuy nhiên tiêu tốn năng lượng phát nhiều hơn các sơ đồ điều pha. Đối với M-PSK thì hoàn toàn ngược lại tiết kiệm năng lượng phát nhưng cấu trúc bộ thu. SNR phía thu). Bởi vì, Nếu số lượng sóng mang (NSub) được dùng để truyền dữ liệu là lớn, thì tỉ lệ giữa các sóng mang con bị lỗi trên toàn bộ sóng mang được dùng là nhỏ nghĩa là tỉ lệ giữa số các bit được truyền đi bị lỗi trên toàn bộ các bit được truyền đi là nhỏ (BER giảm) ngoài ra còn không gây lỗi cụm (các lỗi không có tính chất tập trung (xét trên toàn bộ tốc độ bit đầu vào ở miền thời gian điều này hưởng lợi từ quá trình biến đổi nối tiếp thành song song)).

Hình 5.1 Quá trình phát triển của các công nghệ điều chế thích ứng

Chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng

Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng

Mặt khác vì cơ chế thích ứng mà đồ án sử dụng là chọn lọc sóng mang tức là lựa chọn các sóng mang có SNR cao (hay BER thấp) để truyền dữ liệu do đó số lượng sóng mang lớn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng vì khi đó cơ chế chọn lọc sẽ hoạt động hiệu quả hơn, sẽ lựa chọn chính xác các vùng tần số tương đối ổn định trên kênh. Tất nhiên khi chọn nguyên cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang hoặc không chọn cơ chế thích ứng nào thì số trạng thái điều chế được giữ nguyên trong quá trình mô phỏng, nếu chọn cơ chế thích ứng mức điều chế thì số trạng thái điều chế sẽ được thay đổi tuỳ theo tình trạng kênh hiện thời hay giá trị BER tổng cộng sau mỗi lần phát ký hiệu OFDM.

Chương trình mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng

Các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng

Vì có cơ chế này mà hệ thống làm việc rất hiệu quả, nguyên nhân là khi đang ở các mức BPSK, 4-QAM nếu kèm theo cơ chế chọn lọc sóng mang thì thường BER tổng = 0, nhưng không phải ở mức 16-QAM, 64-QAM thì BER tổng cũng nhỏ như vậy mà thường BER tổng sẽ không đảm bảo mức ngưỡng do đó để đảm bảo QoS thì cần phải chuyển qua mức trung gian. Tuy nhiên nêu để ý thì ở mức 16-QAM, số sóng mang dùng để truyền dữ liệu sẽ rất ít thường < 50 sóng mang trên tổng số 100 sóng mang, giá trị trên giao diện mô phỏng là 46, 58 và 24 sóng mang, những vẫn đảm bảo được tốc độ truyền dữ liệu người dùng và BER yêu cầu do mức điều chế cao và dùng kết hợp cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang.

Bảng 6.2 Tham số BER điều khiển chuyển mức điều chế Giá trị BER tổng Ngưỡng BER Mức điều chế

Đánh giá hiệu năng của các cơ chế thích ứng thông qua kết quả mô phỏng

Để dễ dàng so sánh hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng của các cơ chế thích ứng khác nhau, cũng như giữa thích ứng và không thích ứng, đồ án đã tổng kết các lần chạy chương trình mô phỏng khác nhau và đưa ra kết quả tổng hợp thông qua giao diện so sánh. Đối với hệ thống không dùng một cơ chế thích ứng nào hoặc thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang sẽ có thông lượng không đổi, kết quả so sánh chỉ có ý nghĩa đối với hai cơ chế thích ứng là chuyển mức điều chế (AQAM) và kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế.