Kĩ thuật OFDM tỏ ra khá hiệu quả với các nhược điểm của môi trường vô tuyến như fading lựa chọn tần số, nhiễu dải băng hẹp và nâng cao hiệu suất sử dụng phổ và một số ưu điểm khác đã trình bày trong chương 2. Tuy nhiên, OFDM vẫn tồn tại một số nhược điểm vốn có của kĩ thuật trực giao và nhược điểm mà tất cả các kĩ thuật điều chế điều chế truyền thống đều có, đó là:
- Sử dụng các tham số điều chế cố định để đảm bảo chất lượng truyền dẫn tại trạng thái xấu nhất của kênh truyền nên sẽ có thông lượng kênh như nhau ở mọi thời điểm dẫn đến lãng phí hiệu quả phổ tần hệ thống.
Điều chế thích nghi được sử dụng để thích nghi động tham số điều chế ứng với các thông số tức thời của kênh, nhằm mục đích đảm bảo chất lượng truyền dẫn và tăng thông lượng. Có nhiều phương pháp thích nghi, ở đây chỉ tập trung tìm hiểu 3 thuật toán cơ bản đó là:
+ Thích nghi theo SNR phát trên mỗi sóng mang + Thích nghi theo cơ chế chuyển mức điều chế
+ Thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang với hai nhiệm vụ là: - Tạo ra chất lượng dịch vụ truyền dẫn (QoS) cao.
- Tạo thông lượng truyền dẫn cao.
Ngoài ra chương này cũng tiến hành tìm hiểu chu trình hoạt động của hệ thống AOFDM (Adaptive Orthogonal Frequency Division Modulation), đưa ra mô hình thuật toán cho cơ chế chọn lọc sóng mang đồng thời đi phân tích một số lưu đồ thuật toán quan trọng trong quá trình mô phỏng.
2.5.1 Lưu đồ thuật toán
Điều chế thích nghi chính là lựa chọn hình thức điều chế một cách động để thu được thông lượng tối ưu khi mức SNR thu biến đổi trong phạm vi rộng theo thời gian. Trong thuật toán điều chế thì các tham số điều chế được xác định bởi thuộc tính của kênh. Tức là các tham số điều chế sẽ là một hàm của các tham số kênh.
Tham số điều chế = f (tham số kênh)
Quá trình thích nghi sẽ được thực hiện theo lưu đồ thuật toán H 4.1
2.5.2 Kiến trúc của những hệ thống điều chế thích nghi
Hình 2.10 Kiến trúc của những hệ thống điều chế thích nghi
Hình 2.10 cho thấy điều chế thích nghi được sử dụng để thay đổi các tham số điều chế theo trạng thái kênh. Để thực hiện điều này thì phía phát phải biết trạng thái kênh trước khi truyền dẫn, và thông tin về kênh phải tuyệt đối chính xác. Phương pháp xác định trạng thái kênh còn được gọi là ước lượng kênh. Có hai phương pháp ước lượng kênh khác nhau, cách thứ nhất là phía phát nhận thông tin hồi tiếp về kênh từ phía thu, cách thứ hai là phía phát tự ước lượng kênh. Tuy nhiên đồ án sẽ tập trung vào phương pháp thứ nhất.
2.5.3 Chu trình hoạt động của hệ thống AOFDM
Chu trình hoạt động của hệ thống AOFDM bao gồm 3 bước cơ bản: - Ước lượng chất lượng kênh
- Chọn các tham số cho quá trình phát tiếp theo
- Báo hiệu hay tách sóng mù về các tham số được sử dụng
2.6 Ước lượng chất lượng kênh
Ước lượng chất lượng kênh là nhiệm vụ quan trọng đầu tiên quyết định tới chất lượng của hệ thống. Để chọn được các tham số phát phù hợp cho lần truyền dẫn tiếp theo, cần phải ước lượng tương đối chính xác hàm truyền của kênh trong suốt khe thời gian truyền tiếp theo. Phần ước lượng kênh đã được trình bày trong chương 3 của đồ án.
2.6.1 Chọn các tham số cho quá trình phát tiếp theo
Dựa trên việc dự đoán chất lượng của kênh trong khe thời gian tiếp theo, máy phát cần lựa chọn các phương thức điều chế hay mã hóa phù hợp cho các sóng mang con. Bước tiếp theo này phụ thuộc vào chất lượng của các bộ điều chế hay mã hóa được sử dụng.
2.6.2 Báo hiệu hay tách sóng mù các tham số được sử dụng
Trong quá trình thích nghi, máy phát và máy thu cần phải báo hiệu cho nhau về tình trạng kênh hay về tham số của bộ giải điều chế được sử dụng cho gói tin đã nhận được. Thông tin này có thể được tải trong bản thân symbol OFDM nhờ các sóng mang Pilot hoặc các sóng mang dữ liệu. Để đơn giản hóa nhiệm vụ báo hiệu, có thể tiến hành thích nghi OFDM trên cơ sở băng con hoặc chọn các sơ đồ tách sóng mù để cần rất ít hoặc không cần các thông tin báo hiệu.
2.7 Một số cơ chế thích nghi được sử dụng trong hệ thống OFDM
Điều chế thích nghi cho phép tối ưu hoá chất lượng dịch vụ BER (QoS) và thông lượng truyền dẫn (BPS). Muốn vậy, cần phải thích nghi các thông số điều chế theo chất lượng của kênh truyền. Tồn tại nhiều cơ chế thích nghi như: mức điều chế, sơ đồ điều chế, SNR phát, số lượng sóng mang, vị trí sóng mang, tỷ lệ mã, tốc độ trải phổ…Các thuật toán này được xây dựng trên cơ sở làm thay đổi một hay một số các tham số điều chế thích nghi với trạng thái của kênh. Ở đây, ta xét một số cơ chế điển hình.
2.7.1 Thích nghi theo SNR phát trên mỗi sóng mang
Ảnh hưởng của kênh vô tuyến lên chất lượng truyền dẫn: Do tính chọn lọc tần số của kênh vô tuyến nghĩa là hàm truyền đạt kênh truyền không bằng phẳng dẫn đến các thành phần tần số của tín hiệu tin nằm trong khoảng lồi lõm của đặc tuyến hàm truyền đạt kênh bị thăng giáng tương ứng. Hậu quả làm cho BER tăng (giảm QoS).
Giải pháp khắc phục hiện tại: Dùng các bộ cân bằng kênh và cân bằng kênh thích nghi trong miền tần số song hiệu quả thấp vì một khi tốc độ dữ liệu cao thì các bộ cân bằng sẽ không thể san phẳng toàn bộ đáp ứng kênh.
Phương pháp làm tăng giảm SNR của các sóng mang con theo các vùng tần số lồi lõm của hàm truyền đạt kênh nghĩa là: sẽ tăng công suất phát cho các sóng mang con ở các thành phần tần số nằm trong khoảng lõm của đáp ứng kênh và ngược lại làm giảm công suất phát của các sóng mang đối với thành phần tần số nằm trong khoảng lồi của đáp ứng kênh.
Giải pháp tăng hay giảm công suất phát đối với từng thành phần sóng mang con trong hệ thống OFDM rất phức tạp do đó tiến hành bằng cách tăng hoặc giảm năng lượng cho các thành phần tần số sóng mang con tại bộ điều chế sóng mang con (xem lại chương 2) bằng cách thay đổi tham số trải phổ cho từng thành phần sóng mang. Theo đó, tăng công suất bằng cách tăng giá trị của tham số trải phổ và giảm công suất bằng cách giảm giá trị tham số trải phổ. Tuy nhiên quá trình tính toán để tìm ra SNR cho từng thành phần tần số phía thu rất phức tạp.
Nhận xét: Mặc dù phương pháp này rất tốt đối với kênh pha đinh Rayleigh, tuy nhiên quá phức tạp và yêu cầu khối lượng xử lý lớn. Thực tế hay dùng phương pháp thích nghi theo cơ chế chuyển mức điều chế.
2.7.2 Thích nghi theo cơ chế chuyển mức điều chế
Trong hệ thống OFDM dữ liệu trước khi điều chế ký hiệu OFDM đều được điều chế sóng mang con. 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.
Thông thường mức điều chế sẽ dựa trên cơ sở BER phía thu (hay SNR phía thu). Tuy nhiên với điều kiện kênh truyền xấu thì thường lựa chọn sơ đồ BPSK. Dưới đây là các mức SNR thu để điều khiển các mức điều chế (bảng 2.3).
Bảng 2.3 Điều khiển mức điều chế dựa trên các mức SNR thu
Mức SNR Không phát BPSK 4QAM 16QAM 64QAM
Dưới l1-k Không phát Không phát Không phát Không phát Không phát l1-k đến l1 Không phát Không phát Không phát Không phát Không phát l1 đến l1+k Không phát↓ Không phát↓ Không phát↓ Không phát↓ Không phát↓ l1+k đến l2- k BPSK BPSK BPSK BPSK BPSK l2-k đến l2 BPSK BPSK BPSK BPSK BPSK l2 đến l2+k BPSK↓ BPSK↓ BPSK↓ BPSK↓ BPSK↓ l2+k đến l3-
k 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM
l3-k đến l3 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM
l3 đến l3+k 4QAM↓ 4QAM↓ 4QAM↓ 4QAM↓ 4QAM↓
l3+k đến l4-
k 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM
l4-k đến l4 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM
l4 đến l4+k 16QAM ↓ 16QAM ↓ 16QAM ↓ 16QAM ↓ 16QAM ↓
Trên l4+k 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM
Trong đó k là dải động điều khiển công suất, dải động càng cao thì vùng điều khiển công suất sẽ càng lớn, thông thường k được thiết lập trong đoạn [0.5;1]. Các ngưỡng được ấn định như sau: l1=-∞, l2=8db, l3=14db, l4=20db cho sơ đồ AQAM không bị chặn, trong đó số liệu được truyền thường xuyên.
Tương tự đối với sơ đồ AQAM có chặn, các mức ngưỡng là l1=5db, l2=8db, l3=14db, l4=20db, trong đó máy phát bị cấm khi công suất tức thời thấp hơn l1. Ta coi rằng tại máy thu ước tính và bù trừ chất lượng kênh băng hẹp là hoàn hảo. Mũi tên ↓ kí hiệu cho giảm công suất. Hình 4.3 sẽ diễn tả trực quan cơ chế này.
Hình 2.11 Ngưỡng SNR chuyển mức cho cơ chế mức điều chế
Phương pháp này có ưu điểm là rất đơn giản chỉ cần so sánh SNR thu với SNR ngưỡng để quyết định sơ đồ điều chế phù hợp. Tuy nhiên với phương pháp này sẽ không tận dụng được những khoảng băng tần kênh có đáp ứng tốt, vì ở những đoạn băng tần kênh này có thể cho phép mức điều chế cao hơn mức thiết lập chung. Do đó để đảm bảo cho mức điều chế tối đa có thể có cho các thành phần sóng mang ít bị ảnh hưởng bởi kênh thì ta phải xây dựng thuật toán thích nghi dựa trên cơ chế chọn lọc sóng mang.
2.7.3 Thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang
Nguyên lí:Do tính chất chọn lọc tần số của đáp ứng kênh nên đối với kênh chọn lọc tần số tồn tại những khoảng băng tần thăng giáng khác nhau.
- Vùng tần số của đáp ứng kênh ít bị thăng giáng: Truyền dữ liệu trên các sóng mang con nằm trong khoảng băng tần có độ biến động chấp nhận được ⇒ cải thiện BPS.
- Vùng tần số của đáp ứng kênh bị thăng giáng mạnh: Không truyền dữ liệu trên đó ⇒ cải thiện QoS.
Xây dựng giải thuật:Dựa trên tính chất chọn lọc tần số của kênh ta có thể xây dựng thuật toán thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang nhằm phát huy tối đa ưu điểm của phân tập tần số.Với giả thiết là: (1) Cùng một độ rộng băng tần được cấp phát cho kênh (cùng tốc độ bit vào); (2) Cùng trạng thái
kênh (cùng một đoạn băng tần bị thăng giáng, cùng số lượng các sóng mang con bị thăng giáng ); (3) trong cùng một khoảng thời gian khảo sát, có cùng số lượng bit được truyền, cùng khoảng thời gian mô phỏng.Nếu số lượng sóng mang (N_Sub) được dùng để truyền dữ liệu là nhỏ, nghĩa là tỉ lệ giữa số các bit được truyền đi bị lỗi trên toàn bộ các bit được truyền đi là lớn (BER tăng) ngoài ra còn gây lỗi cụm (các lỗi có tính chất tập trung). Như vậy, khi N_Sub nhỏ không những BER lớn mà còn tăng lỗi cụm.Nếu ta dùng một số lượng lớn sóng mang để truyền dữ liệu thì sẽ có tác dụng giảm số lượng lỗi vì tỷ lệ sóng mang bị lỗi so với toàn bộ sóng mang sẽ rất nhỏ BER giảm ngoài ra còn không gây lỗi cụm. Như vậy, khi NSub lớn không những BER giảm mà còn giảm lỗi cụm.Trên đây là trường hợp chưa thực hiện thích nghi. Nếu bỏ giả thiết (3) ở trên và thực hiện cơ chế thích nghi bằng cách:Tăng, giảm số lượng các sóng mang con theo trạng thái kênh: Một khi ta khảo sát trong khoảng thời gian đủ dài và thực hiện thích nghi số sóng mang con NSub theo trạng thái kênh trong miền tần số ⇒ cải thiện được cả hiệu năng BER và QoS ⇒ hạn chế lỗi.
Không truyền dữ liệu trên các sóng mang con bị lỗi: Tiến hành truyền dữ liệu trên sóng mang có tỷ lệ lỗi cho phép và sẽ không truyền trên các sóng mang có tỷ lệ lỗi vượt quá ngưỡng cho phép. Tất nhiên nếu ta dùng cơ chế thích nghi khi dùng số ít sóng mang con sẽ không hiệu quả về thông lượng vì có thể có trường hợp mà có nhiều sóng mang con bị lỗi quá ngưỡng cho phép do đó dữ liệu được truyền trên một số ít sóng mang còn lại.
Điều này dẫn đến việc giảm mạnh tốc độ bit truyền dẫn. Do vậy để nâng cao hiệu năng của cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang thì số lượng sóng mang con cần phải đủ lớn (thông thường > 100). Vấn đề chính của thuật toán thích nghi chọn lọc sóng mang là phải xác định được BER cho từng thành phần sóng mang, sau đó so sánh với giá trị BER ngưỡng để quyết định sẽ không truyền dữ liệu trên thành phần sóng mang nào. Nếu giá trị BER trên sóng mang con nào thấp hơn mức ngưỡng thì phía phát sẽ tiến hành chèn ký hiệu hoa tiêu vào thành phần sóng mang đó, các ký hiệu hoa tiêu này để đơn
giản ta nên thiết lập giá trị là ’0’. Phía thu sẽ vẫn tiến hành thu và tính BER trên các sóng mang được chèn hoa tiêu, nếu giá trị BER trên các sóng mang này mà thấp hơn ngưỡng cho phép thì ta lại truyền dữ liệu bình thường trên các sóng mang này. Do đó việc chèn ký hiệu hoa tiêu lên các sóng mang có tỷ lệ lỗi lớn sẽ giúp cho phía thu ước tính chính xác trạng thái kênh truyền dẫn.
Nhận xét: Ưu điểm nổi bật của cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang là tận dụng cực đại hoá những khoảng băng tần ít biến động của kênh và giảm thiểu dữ liệu truyền trên những khoảng băng tần thăng giáng lớn của kênh hay nói cách khác giảm thiểu được ảnh hưởng pha đinh chọn lọc tần số. Trong khi đó ở các thuật toán khác như mức điều chế (M-QAM, M-PSK...) do xử lý như nhau đối với toàn bộ băng tần kênh, nên không thể tận dụng ưu điểm và đối phó nhược điểm trên đáp ứng kênh truyền trong miền tần số. Vì vậy, có thể nói rằng đây là giải thuật khá tối ưu để cải thiện BER và thông lượng truyền.
2.8 Mô hình thuật toán theo cơ chế chọn lọc sóng mang
Nội dung của thuật toán chọn lọc sóng mang được trình bày ở mô hình giải thuật dưới đây:
Hình 2.12 Mô hình thuật toán theo cơ chế chọn lọc sóng mang cho hệ thống truyền dẫn OFDM
Khối tính BER: So sánh sự sai khác giữa ký hiệu phát và thu, tính số lượng lỗi. Sau đó khối tính BER sẽ gửi kết quả tính toán đến khối quyết định chèn.
BER ngưỡng: Do người dùng thiết lập tuỳ theo tính chất dịch vụ yêu cầu, đối với thoại thông thường BER≤1%, trong khi đó đối với các dịch vụ số liệu thì yêu cầu BER≤0.01%.
Khối quyết định chèn
Dựa trên giá trị BER ngưỡng thiết lập cho từng dịch vụ, khối quyết định sẽ tính chính xác giá trị BER trung bình cho từng thành phần sóng mang để đảm bảo được giá trị BER ngưỡng, giá trị BER trung bình này gọi là giá trị BER trung bình ngưỡng ( ng
tb
BER ). Đầu ra của bộ quyết định là một mảng một chiều (mảng QĐ) có kích thước bằng số lượng sóng mang. Công việc của khối quyết định là so sánh các giá trị BER của từng thành phần sóng mang do bộ tính BER đưa đến với giá trị ng
tb
BER , nếu giá trị BER của thành phần sóng mang nào > ng
tb
BER thì phần tử trong mảng QĐ tương ứng với thành phần sóng mang đó sẽ được gán bằng ’1’. Nếu ngược lại sẽ được gán bằng ’0’. Giá trị ’1’ có nghĩa là không truyền dữ liệu trên sóng mang này, giá trị ’0’ có nghĩa là vẫn sử dụng sóng mang này. Lưu đồ thuật toán cho khối quyết định được mô tả như sau: