DVB-T VÀ OVERLAY COGNITIVE
3.2.1 Đồng bộ thời gian, tần số và tìm ô trong hệ thống LTE
Khi một UE được bật lên, nó phải tìm kiếm các ô vô tuyến khả dụng và truy cập vào một trong số đó tiếp tục thông tin thêm. UE bắt đầu tìmô một cách mò mẫm mà không biết gì về băng thông đã được phân bổ. Do đó, các thủ tục tìm kiếm ô ban đầu cũng phải được thực hiện đồng bộ thời gian và tần số. Dưới đây là cách một UE thực hiện tìm kiếm ô và xác định ô vô tuyến khả dụng mạnh nhất gần nó. Đồng bộ thời gian và tần số được yêu cầu như một phần của thủ tục tìm kiếm ô này cũng được thực hiện. Tìm ô là một chức năng cơ bản của bất kỳ hệ thống di động nào, trong đó đồng bộ thời gian và tần số thu được từ các thiết bị di động và mạng. Thực hiện thành công việc tìm kiếm ô và các thủ tục lựa chọn cũng như thu thập thông tin hệ thống ban đầu là điều cần thiết cho UE trước khi tiến hành các bước xa hơn để giao tiếp với mạng. LTE sử dụng một thủ tục tìm ô phân cấp, trong đó một ô vô tuyến LTE được xác định bởi một nhận dạng ô. Hệ thống LTE bao gồm 504 ô nhận dạng duy nhất ở lớp vật lý. Để chứa và quản lý số lượng lớn này, nhận dạng ô được chia thành 168 nhóm nhận dạng lớp ô duy nhất, mỗi nhóm bao gồm ba nhận dạng lớp vật lý. Chi tiết về việc tạo chuỗi sơ cấp và thứ cấp và phân bổ tài nguyên được trình bày trong phần 3.1.3.1.
3.2.1.1 Thủ tục tìm ô
Các thủ tục tìm kiếm ô được thực hiện bằng cách sử dụng các chuỗi sơ cấp và thứ cấp trong một quá trình hai bước. Để bắt đầu, biểu diễn MATLAB về ba tín hiệu đồng bộ sơ cấp (xem Phụ lục cho MATLAB mã để tạo PSS và SSS) được trình bày ở đây. Các tín hiệu PSS là Zadoff-Chu chuỗi với gốc không của chúng ở DC. Biên độ của trên vòng tròn đơn vị tại các pha chuyển dịch chu kỳ khác nhau.
3.2.1.2 Kịch bản mô phỏng và thiết lập kiểm thử
Một môi trường đa ô với 4 BSS và một UE được giả định. Kịch bản được minh họa như trong hình 3.10 bên dưới.
Hình 3.12 Kịch bản mô phỏng cho đồng bộ và tìm kiếm ô trong LTE
Trong kịch bản mô phỏng, chuỗi gốc sơ cấp của chỉ số 29, 34 và 25 đã được sử dụng tại BS 1, 2 và 3 tương ứng. Hơn nữa, trong số 168 chuỗi thứ cấp duy nhất có thể, 4 PN-đa thức đã được chọn. Độ lợi kênh g0 = 1dB được giả định giữa BS1 và máy thu,
g3 trong hình 3.12. Tín hiệu mô phỏng từ ba BSS được kết hợp và truyền qua thiết bị
ngoại vi vô tuyến phổ phần mềm (USRP N200) sử dụng nền tảng Gnuradio.
Việc xác định khoảng thời gian truyền dẫn khung con được thực hiện bởi tương quan chéo của tín hiệu thu được với mỗi một trong ba PS và so sánh độ lớn tương quan thu được. Ngoài ra, theo các độ lợi kênh nói trên giữa UE và ba BS, thử nghiệm xác định rằng các tín hiệu từ BS1 (chỉ số gốc 29) là mạnh nhất tại UE và do đó lựa chọn BS1 là ô phục vụ. Hình 3.13 dưới đây cho thấy sự tương quan chéo của tín hiệu thu được với mỗi một trong ba PS. Mỗi chuỗi thứ cấp được trộn với 3 chuỗi sơ cấp. Do đó, có 12 chuỗi trộn.
Hình 3.13 Đầu ra tương quan chéo của tín hiệu LTE với các chuỗi sơ cấp có chỉ số gốc 29, 25, 34
Quan sát rõ hơn về cốt lõi tương quan chéo của tín hiệu thu được với chuỗi sơ cấp chỉ số gốc 29 được thể hiện chi tiết như trong hình 3.14.
Hình 3.14 Đầu ra của thuật toán phát hiện đỉnh
Thuật toán phát hiện các đỉnh tương quan bằng cách so sánh đầu ra của tương quan chéo với trung bình dịch chuyển của nó (đầu ra của bộ lọc trung bình dịch chuyển). Thuật toán bắt đầu tìm kiếm một đỉnh nếu mức độ tương quan chéo lớn hơn trung bình dịch chuyển một lượng được xác định trước được gọi là ngưỡng tăng và dừng việc tìm kiếm khi mức độ tương quan giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định gọi là ngưỡng giảm qua đó phát hiện một đỉnh đơn trong khoảng thời gian. Các vị trí đỉnh được phát hiện chỉ ra một khoảng nửa khung trong truyền dẫn ký hiệu LTE.
Khi chuỗi sơ cấp cung cấp mức độ tương quan chéo tối đa được xác định (trong trường hợp này nó là chỉ số gốc 29). Các chuỗi thứ cấp được xáo trộn với chuỗi sơ cấp đặc biệt này để thực hiện tương quan chéo với các tín hiệu thu được nhằm tìm đỉnh như thể hiện trong hình 3.15 và xác định ô phục vụ và khoảng khung truyền. Do đó, tổng cộng bảy mối tương quan là cần thiết để ước tính thời điểm bắt đầu truyền khung và nhận dạng một ô duy nhất tại UE.
3.2.1.3 Ước tính và hiệu chỉnh dịch phân đoạn tần số FFO.
Dựa vào tương quan giữa tín hiệu thu được với phiên bản trễ của chính nó trong miền thời gian, pha tại các mẫu CP chỉ ra pha do dịch tần số phân đoạn giữa máy phát và máy thu. Bằng cách lấy trung bình dịch chuyển của các pha này tại các mẫu CP, pha được do FFO có thể được ước tính từ phương trình (3.25) và bù đắp FFO có thể được thực hiện bằng cách quay ngược ký hiệu OFDM với pha kết quả.
Hình 3.16 trên mô tả pha tự tương quan của 100 khung LTE sau khi tín hiệu thu được quay ngược theo pha ước tính. Khi đó, pha trung bình trong mẫu CP bằng không. Trong miền tần số, dịch lấy mẫu dẫn đến pha tăng tuyến tính theo các sóng mang con. Độ dốc của sườn tăng thu được bằng cách ước tính các kênh sử dụng chuỗi đồng bộ sơ cấp. Sau khi cân bằng, các tín hiệu thu được bởi nghịch đảo của kênh, ở đây là AWGN, sơ đồ chòm sao BPSK tại SNR bằng 15dB như hình 3.17 dưới đây.
Hình 3.17 Chòm sao BPSK của tín hiệu LTE sau khi đồng bộ và cân bằng
Độ dài ngắn của các CP trong hệ thống LTE đặt ra thách thức trong ước tính FFO ở LTE. Vì trung bình của các pha trong chiều dài CP sẽ không thể là một gần đúng việc quay pha thực tế do có FFO và gây ra trong pha còn lại.
Mô phỏng được thực hiện với mức trung bình của ước tính pha trong cả một khung con. Cách tiếp cận này giúp cải thiện ước tính pha đáng kể bằng cách loại bỏ các pha còn lại. Độ lớn của lỗi các chòm sao có và không có bù FFO được mô tả trong 3.18 ở trên.
3.2.2 Đồng bộ thời gian, tần số trong hệ thống DVB-T
Các thiết lập cho mô phỏng này: tín hiệu DVB-T ở chế độ 2Kvà băng thông 7MHz được truyền từ máy phát tín hiệu vector Rohde&Schwartz SMBV100A với tốc độ lấy mẫu 8 triệu mẫu/giây và 5 siêu khung (20 khung) được ghi tại USRPN200.
3.2.2.1 Đồng bộ thời gian
Thời điểm bắt đầu ký hiệu DVB-T được ước tính trong miền thời gian, là tự tương quan của tín hiệu thu được với trễ bằng chiều dài FFT của chính nó. Kết quả là đỉnh tương quan có thể được tìm thấy ở cuối mỗi ký hiệu OFDM thể hiện trong hình 3.17. Các đỉnh được phát hiện bằng cách sử dụng thuật toán phát hiện đỉnh sẽ được trình bày trong phần 3.2.2.3. Lấy mẫu có thể được thực hiện bằng cách chỉ lấy đỉnh đầu tiên từ các máydò đỉnhvà cắt ra ký hiệu khỏi chiều dài FFT hoặc sử dụng tất cả các đỉnh từ máydò đỉnh. Cách thứ nhất được dùng để giải quyết khi phát hiện sai một số lượng lớn các đỉnh. Ngoài việc xác định thời điểm bắt đầu của một ký hiệu DVB-T, điều đó là cần thiết để biết được các ký hiệu mà chúng ta thu được như các hoa tiêu phân tán mà chúng ta sử dụng để ước tính kênh và cân bằng, là khác nhau trong các ký hiệu khác nhau. Mặc dù thông tin này thường được tìm thấy bằng cách giải mã các TPS, một cách tiếp cận nhanh hơn và đơn giản hơn được sử dụng trong nghiên cứu này. Cách tiếp cận này dựa trên thực tế rằng vị trí của các hoa tiêu phân tán được lặp lại sau bốn ký hiệu OFDM. Bằng cách thực hiện bốn tương quan với các ký hiệu thu
được mà có thể là vị trí hoa tiêu phân tán và so sánh độ lớn kết quả, vị trí của các hoa tiêu phân tán trong một ký hiệu OFDM cho trước có thể được xác định.
Hình 3.19 Đầu ra tự tương quan của tín hiệu DVB-T
3.2.2.2 Ước tính và bù FFO
Trong phần trước, chúng ta có thể thấy rằng các pha gần như không đổi ở các mẫu CP (như đã được chỉ ta bởi các đường thẳng đứng ở các các mẫu CP cuối cùng trong các ký hiệu OFDM trong hình 3.20 dưới đây). Pha không đổi này đại diện cho pha do dịch tần số phân đoạn. Một bộ lọc trung bình dịch chuyển được sử dụng trong pha tại các mẫu CP để ước tính pha do FFO. Pha tự tương quan của tín hiệu thu được sau khi nó được quay ngược theo ước tính pha được mô tả trong hình 3.21 dưới đây.
Hình 3.21 Pha đầu ra tự tương quan sau khi hiệu chỉnh pha
Hình 3.22 dưới đây cho thấy độ lớn lỗi của các điểm chòm sao so với SNR với có bù ML FFO và không có FFO tại FFO tương đối là 0,4. So với hệ thống LTE được thảo luận trong phần trước, FFO tương đối tăng lên trong hệ thống DVB-T đối với cùng thiết bị, cùng dịch tần số. Điều này là do sự khác biệt về khoảng cách giữa các sóng mang của hai hệ thống. Kết quả là hiệu năng bị giảm do FFO trong hình 3.22 hơi lớn hơn trong hình 3.18.
3.2.2.3 Ước tính và cân bằng kênh
Các hoa tiêu phân tán được sử dụng để ước tính kênh và pha dôi ra bởi dịch thời điểm lấy mẫu giữa máy phát và máy thu. Pha này tăng tuyến tính qua các sóng mang con như thể hiện trong hình 3.23 dưới đây và dẫn đến sự quay tròn của các điểm chòm sao. Các pha tại các vị trí hoa tiêu được ước tính từ các hoa tiêu và nội suy tuyến tính được thực hiện để tính toán quay pha tại các ký hiệu tải trọng.
Hình 3.23 Pha do dịch lấy mẫu theo các sóng mang con
Để hiệu chỉnh méo pha, các ký hiệu chòm sao được quay ngược theo ước tính pha. Sau khi cân bằng các tín hiệu thu được bởi các nghịch đảo của kênh AWGN, sơ đồ chòm sao 16 QAM của tín hiệu thu được tại 20dB SNR như trong hình 3.24 dưới đây.
3.2.3 Đồng bộ trong hệ thống Overlay Cognitive
Trong phần này, một ví dụ về đồng bộ trong mạng Overlay Cognitivesẽ được trình bày với sự hỗ trợ của mô phỏng Matlab, ở đây sử dụng một tín hiệu DVB-T như là tín hiệu sơ cấp và tín hiệu OFDM là tín hiệu thứ cấp. Tín hiệu thứ cấp bị chặn ở các tần số mang các hoa tiêu sơ cấp để tín hiệu thứ cấp sẽ không bị loại bỏ trong quá trình cân bằng sơ cấp. Mô phỏng chạy với tỉ số công suất giữa các máy phát sơ cấp và thứ cấp là 10, 12, 14 và ∞ dB. Để bảo vệ QoS của hệ thống sơ cấp, công suất của máy phát được chia thành αPsecvà (1 - α)Psec ở đây Psec là công suất của máy phát thứ cấp. Công
suất αPsec được sử dụng để truyền tín hiệu thứ cấp mong muốn và (1 - α)Psec được sử
dụng để chuyển tiếp tín hiệu thứ cấp. Từ mã sơ cấp được giả định là đã được biết ở máy phát thứ cấp cho chuyển tiếp và mô phỏng được thực hiện cho các trễ khác nhau giữa các máy phát sơ cấp và thứ cấp.
3.2.3.1 Kết quả mô phỏng đồng bộ thời gian.
Máy thu xem xét các tín hiệu sơ cấp và phiên bản trễ chồng của nó như là tín hiệu đa đường với trễ τ. Đáp ứng pha của đa đường kênh tại τ = 10 mẫu được ước tính bằng cách sử dụng hoa tiêu phân tán trong tín hiệu DVB-T và được nội suy cho các sóng mang tải trọng con. Pha kết quả được mô tả như thể hiện trong hình 3.25. Đáp ứng pha được sử dụng để hiệu chỉnh méo pha dôi ra do trễ.
3.2.3.2 Kết quả mô phỏng hiệu chỉnh dịch tần.
Khi ước tính dịch tần số trong hệ thống sơ cấp, chúng ta có thể giả định thứ cấp như một nhiễu tất định và tín hiệu chuyển tiếp như một thành phần đa đường. Độ trễ giữa các đường có thể được điều chỉnh nếu nó không lớn hơn so với thời gian của tiền tố chu trình. Hiển nhiên rằng trung bình và phương sai của ước tính dịch tần số không phụ thuộc vào các hệ số tần số thu được, do đó các thuật toán ước tính FFO được sử dụng trong các phần trước cũng có thể được áp dụng ở đây. Kết quả mô phỏng của các phép đo hiệu năng tại máy thu sơ cấp được trình bày trong hình 3.26 là một ví dụ.
Hình 3.26 Độ lớn lỗi đối với SNR cho các FFO tương đối trước và sau khi bù FFO
Qua mô phỏng chúng ta có thể thấy sự khác biệt giữa dịch tần ước tính và dịch tần thực tế ở một giá trị SNR đã cho. Hình 3.27 dưới đây cho thấy FFO ước tính và FFO thực tế tại các giá trị SNR 3 dB và 15 dB.
Hình 3.27 Dịch tần ước tính tương đối và dịch tần tương đối
Các điểm chòm sao QPSK tổng hợp sơ cấp-thứ cấp ở các máy thu trước và sau khi hiệu chỉnh pha được đưa ra trong hình 3.28 dưới đây:
Hình 3.28 Các ký hiệu chòm sao sơ cấp trước (trái) và sau (phải) khi cân bằng
Như trong phần 3.1.4, có ba loại của hoa tiêu trong các DVB-T sơ cấp: liên tục, phân tán, và TPS. Vì chúng ta sử dụng các hoa tiêu liên tục và phân tán cho mục đích ước tính và cân bằng kênh, tín hiệu thứ cấp tại vị trí các hoa tiêu này đã bị chặn. Mặt khác, vì các hoa tiêu TPS không được sử dụng cho bất kỳ mục đích nào trong mô phỏng này, truyền dẫn thứ cấp đã được cho phép trên đầu của các hoa tiêu TPS. Hình
3.28 (bên phải) cho thấy sự quay của các hoa tiêu này sau khi cân bằng. Tại máy thu thứ cấp, tín hiệu tổng hợp cân bằng được lượng tử hóa và điều chế trước khi trừ đi mẫu tín hiệu chưa lượng tử. Các tín hiệu kết quả còn lại là OFDM thứ cấp, bị quay đi một pha nhất định. Pha này có thể được ước tính bằng qua các hoa tiêu trong các tín hiệu OFDM và được sử dụng để hiệu chỉnh méo pha gây ra bởi quay do dịch thời gian. Hình 3.29 dưới đây cho thấy dạng của các tín hiệu thứ cấp ở máy thu tương ứng trước và sau khi cân bằng.
Hình 3.29 Các ký hiệu chòm sao thứ cấp trước (trái) và sau (phải) khi cân bằng
Đường cong tỷ lệ lỗi bit (BER) cho các tín hiệu sơ cấp và thứ cấp đối với trễ khác nhau, giá trị tỷ số công suất sơ cấp và thứ cấp (Ppr /Psec) cùng các loại điều chế
được thể hiện trong các mô phỏng thảo luận dưới đây. Mô phỏng giả định một kênh AWGN. Trục X đại diện cho SNIR đối với các tín hiệu sơ cấp (đường cong màu xanh) và SNR đối với các tín hiệu thứ cấp (đường cong màu đỏ). Tỷ lệ phân chia công suất