c l ng LS đ c biểu di n b i:
Y X
HLS 1 (2. 31)
c l ng LS có d ng rất đ n gi n vƠ thích h p v i nh ng ng d ng yêu cầu tính toán nhanh v i s phép tính t i thiểu.
32
2. K t h p thu t toán EM v i LS cho c u trúc Block pilot
a. Thu t toán EM cho c u trúc block pilot m t kí tự
- Thu t toán LS s đ c tính cho kí tự pilot đầu tiên
Y X HLS 1
- Kí tự OFDM th hai s lấy giá tr c a thu t toán LS lƠ đáp ng tần s input cho thu t toán EM để tính theo (2. 30)
- Từ kí tự OFDM th ba, giá tr đáp ng tần s input cho thu t toán EM
là c a kí tự tr c đó để tính t i kí tự nƠy
Hình 2. 12: Thu t toán EM cho cấu trúc block pilot m t kí tự
b. Thu t toán EM cho c u trúc block pilot m t nhóm kí tự
Trong đ tƠi nƠy nhóm kí tự có kích th c lƠ 4. 1 pilot và 4 data
Kí tự OFDM đầu tiên lƠ pilot lot, 4 kí tự ti p theo lƠ data
Time : Pilot : Data ……… Fr equency LS Algorithm EM Algorithm 1 OFDM symbol 1 Pilot symbol
33
Áp d ng thu t toán EM cho 1 nhóm g m 1 OFDM pilot + 4OFDM data: - Thực hi n c l ng LS t i v trí có pilot để tính
- Thực hi n c l ng EM cho m t nhóm 4 OFDM data v i đầu vƠo lƠ giá tr đáp ng tần s kênh truy n lƠ tr c đó
- Quá trình lặp l i cho nhóm kí tự ti p theo
Hình 2. 13: Thu t toán EM cho cấu trúc block pilot m t nhóm kí tự
3. Thu t toán EMcho c u trúc comb pilot
a. Thu t toán EM k t h p LS v i c u trúc comb pilot cho 1 kí tự
OFDM
- kí tự OFDM đầu tiên tính t i nh ng kênh con có ch a comb pilot
Y X HLS 1 LS Algorithm EM Algorithm Time F re que nc y
Symbol Distance 1 OFDM symbol 1 Pilot symbol
: Pilot : Data
34
- Kí tự OFDM th hai s lấy giá tr c a thu t toán LS lƠ đáp ng tần s input cho thu t toán EM để tính � (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Thực hi n n i suy � để tính � � cho nh ng kênh truy n ch a data
- Từ kí tự OFDM th 3 lấy � kí tự OFDM tr c lƠm input để
tính � cho kí tự OFDM hi n t i, sau đó n i suy để tính � � cho nh ng kênh truy n có ch a data
Hình 2. 14: Thu t toán EM k t h p LS v i cấu trúc comb pilot cho 1 kí tự OFDM
b. Thu t toán EM k t h p LS v i c u trúc comb pilot cho 1 nhóm kí tự OFDM
- kí tự OFDM đầu tiên tính t i nh ng kênh con có ch a comb
pilot, Sau đó n i suy để tính � � t i kênh con ch a data
Y X HLS 1 ầầầầầầ Frequency EM Algorithm LS Algorithm 1 OFDM symbol Time : Pilot : Data
35
- Thực hi n c l ng EM cho m t nhóm 4 OFDM data v i đầu vƠo lƠ giá tr đáp ng tần s kênh truy n lƠ � � tr c đó
- Quá trình lặp l i cho nhóm kí tự ti p theo
Hình 2. 15: Thu t toán EM k t h p LS v i cấu trúc comb pilot cho 1 nhóm kí tự
OFDM
c. Thu t toán EM k t h p LS vƠ Kalman v i c u trúc comb pilot cho 1 kí tự OFDM
- kí tự OFDM đầu tiên c l ng H_LSpilot t i nh ng kênh con có ch a comb pilot
- kí tự OFDM th hai, s d ng c a kí tự OFDM đầu tiên lƠm input để tính � � theo công th c:
) ( ) ( ) (n H G n n F HKalmanpilot LSpilot Frequency EM Algorithm LS 1 OFDM symbol Time
36
- N i suy � � để tính � � � �
- T i kí tự OFDM th 3, áp d ng thu t toán EM v i đầu vƠo lƠ
� � � � để tính � �
- Từ kí tự OFDM th t , áp d ng thu t toán EM để tính đáp ng tần s kênh truy n, v i giá tr đầu vƠo lƠ � � c a kí tự OFDM tr c đó
Hình 2. 16: Thu t toán EM k t h p LS vƠ Kalman v i cấu trúc comb pilot cho 1 kí tự OFDM
d. Thu t toán EM k t h p LS vƠ Kalman v i c u trúc comb pilot cho 1 nhóm kí tự OFDM
- kí tự OFDM đầu tiên c l ng t i nh ng kênh con có ch a
comb pilot. HLSpilot X Y 1 ầầầầầầ Frequency EM Algorithm LS Kalm 1 OFDM symbol Time : Pilot : Data
37
- kí tự OFDM th hai, s d ng c a kí tự OFDM đầu tiên lƠm input để tính � � theo công th c:
) ( ) ( ) (n H G n n F HKalmanpilot LSpilot
- Thực hi n c l ng EM cho m t nhóm 4 OFDM data v i đầu vƠo lƠ giá tr đáp ng tần s kênh truy n lƠ � � để tính (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- N i suy để tính � �
- Quá trình lặp l i cho các nhóm 4 kí tự ti p theo
Hình 2. 17: Thu t toán EM k t h p LS vƠ Kalman v i cấu trúc comb pilot cho 1 nhóm kí tự OFDM Fr equency EM Algorithm LS Kalman 1 OFDM symbol Time Symbol Distance
38
Ch ng 3:
CÁC K T QU MỌ PH NG
3.1. Gi i thi u
Ch ng nƠy trình bƠy các k t qu mô ph ng v h th ng OFDM, c thể lƠ đánh giá nh h ng BER đ n thu t toán EM khi v n t c di chuyển tăng lên, cấu trúc
pilot comb và pilot, s lần lặp cho thu t toán EM; so sánh BER các ph ng pháp khi k t h p EM v i các thu t toán LS, Kalman.
Thông s mô ph ng
Number of Subcarrier 52
FFT size 64
Modulation 16-QAM
Rayleigh Fading Channel Model ITU-R channel B Guard Interval 16
License frequency 5 GHz
Bandwidth 20 MHz
3.2. L u đ ho t đ ng h th ng OFDM dùng trong mô ph ng
3.2.1. L u đ ho t đ ng c a máy phát
Ch ng trình c a máy phát đ c cƠi đặt trong hƠm transmit. HƠm nƠy có ch c năng nh n chu i d li u từ m t file (d ng văn b n, hình nh, hoặc ơm thanh) vƠ t o các ký tự OFDM qua anten phát. L u đ ch ng trình đ c trình bƠy trong
39
lƠ m t ma tr n có s hƠng t ng đ ng v i s ký hi u OFDM vƠ s c t t ng đ ng v i sóng mang ph trong m t ký hi u OFDM.
Hình 3.1: L u đ ho t đ ng c a máy phát (1/2)
1 Transmit
Function (1/2) Kh i đầu
Đ a d li u đầu vƠo
Chuyển d li u thƠnh chu i nh phơn Nhơ ̣p cac thông sô đơu vao: - Sô điểm FFT
- Sô song mang con - Điêu chê M-QAM - Rayleigh, AWGN - Kho ng b o v .
- Thuơ ̣t toan: LS, EM, Kalman - Cấu trúc pilot.
Đi u ch M-QAM Chèn ký tự zero
Xác đ nh s sóng mang mang d li u trong 1 ký tự (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
40
Hình3.2: L u đ ho t đ ng c a máy phát (2/2)
3.2.2. L u đ ho t đ ng mô ph ng kênh truy n
Gi i thu t t o kênh truy n mô ph ng ch y u dựa vƠo hai hƠm dựng sẵn c a MATLAB lƠ rayleighchan (t o kênh truy n có Rayleigh fading) và AGWN (kênh
truy n nhi u tr ng). Hình3.3 trình bƠy l u đ ho t đ ng c a kênh truy n đ c cƠi đặt trong hƠm channel. D li u đầu vƠo c a ch ng trình lƠ tín hi u ngõ ra c a máy phát. D li u đầu ra s đ c đ a s d ng cho máy thu.
Transmit Function (2/2)
Tín hi u ra kênh truy n
T o chu i pilot dựa trên cấu trúc pilot đ c lựa ch n
1
Chuyển d li u từ n i ti p sang song song Chèn ký hi u đ m zero
Bi n đ i IFFT T o kho ng b o v
Bi n đ i d li u từ song song sang n i ti p K t thúc
Đi u ch OFDM
41
Hình3.3: L u đ ho t đ ng c a kênh truy n
3.2.3. L u đ ho t đ ng c a máy thu
Ch ng trình c a máy thu đ c cƠi đặt trong hƠm receive. HƠm nƠy có ch c năng nh n chu i d li u từ kênh truy n. L u đ ch ng trình đ c trình bƠy trong
Hình 3.4. D li u ngõ ra c a máy thu s đ c l u l i vƠ so sánh v i d li u mong đ i bằng BER để đánh giá chất l ng thông s h th ng mô ph ng.
B t đầu AWGN ? Yes Yes No No Tín hi u ngõ ra c a máy phát Multipath ? K t thúc channel function
Multipath Rayleigh Fading Dùng các giá tr từ các thông s nh p vƠo:
- V n t c
- Môi tr ng (indoor, pedestrian, vehicular)
42 Hình 3.4: L u đ ho t đ ng c a máy thu Tín hi u qua kênh truy n B t đầu Gi i đi u ch OFDM Chuyển đ i d li u n i ti p thƠnh song song
Lo i b kho ng b o v Bi n đ i FFT Tách ký hi u zero đ m
Bi n đ i d li u song song thƠnh n i ti p Tách chu i pilot d ng kh i
T o hƠm truy n H bằng 1 trong các ph ng pháp c l ng:
- LS. - EM
- K t h p Kalman
K t thúc
Tính biên đ c a hƠm truy n H Lo i b ký tự zero đ m (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
43
3.3. Đánh giá k t qu mô ph ng BER theo s l n lặp cho thu t toán EM
Thu t toán: EM k t h p LS cấu trúc comb pilot theo t l 1: 4 (4 kênh truy n d li u gi a hai kênh truy n pilot)
Môi tr ng indoor, v = 5 km/h S l ng bit: 105264 bit B ng 3. 1 BER c a các tr ng h p lặp 300, 500, 700, 1000 lần SNR (dB) Iterations 0 5 10 15 20 25 300 0. 2689 0. 1219 0. 0302 0. 0030 0.0001 0.0001 500 0. 2678 0. 1220 0. 0297 0. 0029 0.0001 0 700 0. 2658 0. 1222 0. 0298 0. 0024 0.0001 0 1000 0.2660 0. 1222 0. 0298 0. 0024 0.0001 0
44
Hình 3.5: So sánh s lần lặp trong thu t toán EM Nh n xét:
- Thông qua b ng s li u vƠ đ th ta d dƠng thấy, khi s l ng lần lặp trong thu t toán EM tăng lên, thì vi c c l ng cƠng chính xác, BER cƠng thấp. - BER (1000), BER (700) < BER (500) < BER (300)
- BER c a tr ng h p 1000 lần lặp vƠ 700 lần lặp bằng nhau vì thu t toán EM đƣ tìm đ c giá tr maximum likelihood trong kho ng 700 lần lặp.
3.4. So sánh BER các ph ng pháp k t h p v i thu t toán EM
Môi tr ng indoor, v = 5 km/h
45 S l ng bit: 105264 bit
Kĩ thu t n i suy tuy n tính cho Comb pilot
B ng 3. 2: Giá tr BER c a các ph ng pháp c l ng kênh truy n k t h p thu t
toán EM SNR (dB) 0 5 10 15 20 25 BER Block One 0.4949 0.4900 0.4216 0.2086 0.0725 0.0258 BER Comb One 0.2999 0.1556 0.0489 0.0069 0.0011 0.0004 BER Kalman Comb One 0.4957 0.4936 0.3863 0.2029 0.0515 0.0114 BER Block Multi 0.2999 0.1556 0.0489 0.0069 0.0011 0.0004 BER Comb Multi 0.2386 0.0980 0.0201 0.0012 0.0004 0 BER Kalman Comb Multi 0.2389 0.0988 0.0190 0.0009 0.0002 0
46
Hình 3.6: So sánh BER các ph ng pháp k t h p thu t toán EM Nh n xét:
- Ph ng pháp lặp EM cho m t nhóm kí tự OFDM có hi u qu h n so v i ch lặp 1 kí tự OFDM: Block multi, Com multi, ComKalman multi < Block One, Comb One, ComKalman One. Thu t toán EM t ra khá hi u qu khi lặp cho m t nhóm kí tự, vì sau m i (4data +1 pilot) kho ng kí tự, đáp ng tần s kênh truy n đ c c l ng l i t i v trí có pilot vƠ đ a vƠo thu t toán EM để lặp tìm ra ML. Ph ng pháp lặp EM cho m t kí tự ch c l ng pilot duy nhất t i kí tự OFDM đầu tiên còn các kí tự OFDM khác s d ng lặp EM, k t qu BER không t t vƠ s l ng lần lặp l n nh ph ng pháp lặp EM cho m t nhóm kí tự lƠ do không bám theo k p khi kênh truy n thay đ i.
47
- Ph ng pháp lặp EM cho m t nhóm kí tự k t h p thu t toán Kalman cho hi u qu t t nhất. Đi u nƠy d dƠng hiểu đ c vì trong 1 nhóm kí tự OFDM, pilot đ c c l ng LS t i kí tự OFDM đầu tiên, kí tự OFDM th 2 s d ng c l ng Kalman r i ti p t c đ c lặp EM nên
BER s t t h n so v i ph ng pháp lặp EM cho m t nhóm kí tự ch dùng c l ng LS vƠ EM
- Ph ng pháp lặp EM cho cấu trúc Comb pilot hi u qu h n cho Block
pilot.
Vì Comb pilot đ c truy n t i tất c th i điểm nên có thể bám theo nh ng thay đ i c a kênh truy n t t h n so v i Block pilot.
Trong m t vƠi tr ng h p đặc bi t, khi thu t toán EM lƠm vi c không hi u qu , s lần lặp ch a đ l n để đ t đ n maximum likelihood, nên
k t qu BER s không t t. Chúng ta có thể thấy nh tr ng h p c a thu t toán EM Kalman cho m t kí tự
3.5. Đánh giá thu t toán EM khi d ch Doppler thay đ i
Thu t toán: EM k t h p LS, Kalman cấu trúc comb pilot cho m t nhóm 4 kí tự T l Pilot: 1-4 (4 kênh truy n d li u gi a hai kênh truy n pilot)
Môi tr ng indoor v =1, 5, 7, 10 km/h; Pedestrian v = 1, 5 km/h
S lần lặp: 500
S l ng bit: 105264 bit (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
48
B ng 3. 3: Giá tr BER theo v n t c di chuyển trong các môi tr ng
SNR (dB) Env 0 5 10 15 20 25 Indoor 1 km/h 0.2687 0.1197 0.0253 0.0010 0.0005 0.0000 5 km/h 0.2683 0.1219 0.0283 0.0025 0.0010 0.0001 7 km/h 0.2691 0.1205 0.0313 0.0059 0.0015 0.0002 10 km/h 0.2722 0.1248 0.0388 0.0146 0.0089 0.0085 Pedestrian 1 km/h 0.3225 0.2141 0.1555 0.1189 0.1315 0.1220 5 km/h 0.3318 0.2285 0.1767 0.1425 0.1416 0.1422
49
Hình 3.7: BER theo v n t c trong môi tr ng Indoor vƠ Pedestrian Nh n xét:
- Thông qua đ th vƠ b ng 3. 3 ta có thể thấy rằng khi v n t c di chuyển tăng
lên, BER tăng lên, nguyên nhơn lƠ do hi u ng Doppler tăng lên
- Mặc dù hi u ng Doppler tăng lên, nh ng ta cũng có thể thấy đ c rằng,
thu t toán EM k t h p LS, Kalman v n còn hi u qu khi v = 10 km/h
- Trong môi tr ng pedestrian, ph ng pháp EM k t h p v i LS, Kalman
50
Ch ng 4:
K T LU N VĨ H NG PHÁT TRI N
4.1. K tlu n
Trong lu n văn nƠy, tác gi đƣ phơn tích các b c l ng dùng thu t toán EM k t h p v i Kalman trên 2 d ng pilot (comb pilot vƠ block pilot). Các thông s mô ph ng dựa theo tiêu chuẩn 802.16e vƠ mô ph ng t i tần s 5GHz, băng thông
20MHz.
Tác gi đƣ mô ph ng các b c l ng:
- K t h p thu t toán EM v i LS cho cấu trúc block pilot
- K t h p thu t toán EM v i LS/ Kalman cho cấu trúc comb pilot
Bên c nh đó, lu n văn cũng đƣ so sánh, đánh giá k t qu mô ph ng dựa trên BER đ i v i các thông s : s lần lặp c a thu t toán EM, các ph ng pháo k t h p v i thu t toán EM, thu t toán EM v i các môi tr ng khác nhau (indoor vƠ
pedestrian).
K t qu mô ph ng cho thấy:
- S lần lặp thu t toán cƠng tăng thì vi c c l ng cƠng chính xác, giá tr BER cƠng thấp. Khi s lần lặp lƠ 700 lần tr lên thì thu t toán EM tìm đ c giá tr maximum likelihood, khi đó BER s bằng nhau.
- Trong môi tr ng indoor 5 km/h, ph ng pháp lặp EM cho m t nhóm