Để thực hiện các mô phỏng trong luận văn này tác giả đã sử dụng công cụ mô phỏng là ngôn ngữ lập trình Matlab, bởi nó là một ngôn ngữ linh hoạt và nó có nhiều hàm và chức năng phù hợp với yêu cầu của bài toán đặt ra.
Để tiến hành mô phỏng sơ đồ điều chế BPSK ta thực hiện tạo chuổi bit gồm 10 bit bằng phương pháp sinh ngẫu nhiên trong matlab, mỗi một chu kỳ sóng mang sẽ mang một bít tín hiệu là 0 hoặc 1 tương ứng với sóng mang được tạo ra bởi hàm sin hoặc cos có pha ban đầu bằng 00 tương ứng với bit 1 và 1800 tương ứng với bít 0, sóng mang có tần số fc = 2, kết quả mô phỏng biểu diễn tín hiệu sung vuông của chuổi tín hiệu đầu vào và tín hiệu tương tự sau khi điều chế với chu kỳ fc = 2 và biên độ bằng 1.
Chuổi đầu vào: 11 01 01 01 01.
53 5.2. Mô phỏng sơ đồ điều chế QPSK
Một tín hiệu QPSK được tạo nên bởi hai tín hiệu BPSK nghĩa là mỗi chu kỳ sóng mang sẽ mang hai bit tín hiệu. Tín hiệu điều chế là tổng của hai sóng mang trực giao với nhau tương ứng với hai kênh của tín hiệu, một kênh tạo nên bởi hàm cosfct được gọi là tín hiệu pha hay còn gọi là kênh I, kênh còn lại được tạo nên bởi hàm sinfct được gọi là tín hiệu vuông góc (quadrature-phase) hay còn gọi là kênh Q.
Để mô phỏng tín hiệu điều chế QPSK chúng ta sẽ tạo ra chuổi bít gồm 10 bit, đầu tiên ta thực hiện tách chuổi đầu vào này thành hai kênh tương ứng là kênh I và kênh Q và thực hiện điều chế lần lượt từng kênh với sóng mang có tần số fc = 2 và biên độ bằng 1, tín hiệu mô phỏng là tổng của hai tín hiệu kênh I và kênh Q, các tín hiệu này sẽ lệch pha nhau một góc 90o tương ứng với các cặp bít (0 0), (0 1), (1 0) và (1 1).
Chuổi đầu vào mô phỏng: 01 10 01 01 10. Ta có kết quả mô phỏng ở hình 5.2
54 5.3. Mô phỏng sơ đồ điều chế QAM.
Như chúng ta thấy trên kết quả mô phỏng của phương pháp điều chế QPSK, chỉ có pha ban đầu của tín hiệu thay đổi tương ứng với các cặp bít đầu vào. Khác với phương pháp điều chế QPSK, phương pháp điều chế QAM kết hợp cả hai phương pháp điều chế dịch pha và dịch biên, nghĩa là sẽ có sự thay đổi cả về pha ban đầu và biên độ của sóng mang, điều chế QAM có nhiều mức khác nhau tương ứng với số bít gắn vào mỗi chu kỳ của sóng mang, ví như phương pháp điều chế 16QAM sẽ mang 4 bít trong một chu kỳ của sóng mang, với 64QAM số lượng bít là 6 trong một chu kỳ sóng mang.
Để mô phỏng tín hiệu của sơ đồ điều chế 16QAM ta cho tạo chuổi bít gồm 32 bít, chia chuổi bít đầu vào này thành hai kênh tương ứng là kênh I và kênh Q, tín hiệu điều chế là tổng của hai tín hiệu kênh I và kênh Q với pha ban đầu sẽ lệch nhau một góc 300 và biên độ của sóng mang sẽ nhận các giá trị √2 , √10, √18 tuỳ thuộc vào giá trị các bít của chuổi đâu vào.
Với chuổi đâu vào là: 1100 1100 1111 1001 1110 0100 1111 1001. Ta có kết quả mô phỏng ở hình 5.3.
55
5.4. Kết quả mô phỏng chất lượng truyền dẫn đường xuống của hệ thống di động 4G LTE hệ thống di động 4G LTE
Trong mạng 4G LTE sử dụng hai phương pháp điều chế, OFDM cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên vì OFDM có chỉ số PAPR cao hơn so với phương pháp điều chế SC-FDMA nên việc sử dụng SC-FDMA sẽ tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị di động hơn là sử dụng OFDM và việc sử dụng OFDM cho đường xuống sẽ tăng tốc độ của hệ thống.
Trong giới hạn của đề tài này tác giả chỉ tiến hành mô phỏng và đánh giá chất lượng truyền dẫn ở đường xuống (downlink) của mạng di động 4G LTE với phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM. Trong mạng 4G LTE sử dụng phương pháp điều chế và mã hoá thích ứng (AMC) với các sơ đồ điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM,..với phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM, vì vậy để mô phỏng được chất lượng truyền dẫn của đường xuống của mạng di động 4G LTE trong đề tài này sẽ tiến hành mô phỏng các phương pháp điều chế OFDM với sơ đồ điều chế QPSK, 16QAM và 64QAM và so sánh với kết quả lý thuyết đã được chứng minh trước đó.
Theo tính toán dựa vào mô tả cấu trúc vật lý của mạng LTE:
- Trong mạng LTE sử dụng các băng thông 1.4, 1.6, 3, 3.2, 5, 10,15 và 20 MHz trong cả hai đường lên và đường xuống. Đề tài này lựa chọn băng thông nhỏ nhất là 1.4MHz;
- Với băng thông truyền là 1.4MHz thì số lượng của RB sẽ là 6 và mỗi một RB sẽ có 12 sóng mang con, và mỗi khe thời gian trong đường xuống sẽ mang 7 ký hiệu OFDM. Vì vậy trên toàn băng thông sẽ có 72 sóng mang con;
- Số lượng gói tin được truyền trong một lần mô phỏng là 10.000 gói tin; - EbN0 chọn trong khoảng từ 1 đến 45 dB;
- Để so sánh với kết quả lý luyết trong đề tài này tác giả lựa chọn kết quả lý thuyết theo các công thức sau đây:
56
Bảng 5.1. Công thức tính BER theo lý thuyết của các sơ đồ điều chế trong môi trường AWGN và Rayleigh fading một tia
Bảng 5.1. Công thức tính BER theo lý thuyết của các môi trường AWGN và Rayleigh fading một tia
Sơ đồ điều chế AWGN Rayleigh Fading một tia QPSK 1 2 / 1 2 ⎣ ⎢ ⎢ ⎡ 1 − 1 1 + 1/ ⎦⎥ ⎥ ⎤ 16QAM 3 8 2 5 / − 9 24 2 5 / 3 8 1 − 1 1 + 5/(2 / 64QAM 7 24 1 7 / − 49 384 1 7 / 7 24 1 − 1 1 + 85/(4 /
Mô hình mô phỏng bao gồm các khối: khối bên truyền, khối kênh truyền và khối bên nhận
Khối bên truyền:
- Chuổi tín hiệu đầu vào nối tiếp sẽ được tách thành N chuổi song song (N là số lượng sóng mang con);
- Thực hiện điều chế trên từng chuổi bít theo sơ đồ điều chế tương ứng (QPSK, 16QAM, 64QAM);
- Tiến hành cộng tất cả các thành phần tần số của các sóng mang thành một tín hiệu duy nhất (ghép kênh) để truyền đi trong môi trường không dây;
- Thực hiện chèn khoảng bảo vệ vào tín hiệu và truyền qua kênh truyền. Khối kênh truyền:
57 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Sau đó tín hiệu thu được sau kênh Rayleigh fading một tia tiếp tục được truyền qua môi trường AWGN.
Bên nhận:
- Tách chuổi bảo vệ khỏi tín hiệu nhận;
- Tách tín hiệu nhận được thành các thành phần tần số tạo nên nó; - Giải điều chế tín hiệu theo sơ đồ điều chế tương ứng;
- Tính bít lỗi và tỉ lệ lỗi bít (BER) của kênh truyền;
- So sánh kết quả chỉ số BER ở trên với công thức lý thuyết. Quá trình mô phỏng được thể hiện trong hình 5.4.
Hình 5.4. Sơ đồ quá trình mô phỏng
K Kênh AWGN B Bộ chuyển đổi nối tieó sang song song Modulation C Chèn khoảng bảo vệ K Kênh Rayleigh Fading
Bên phát Môi trường
truyền dẫn
Chuổi tín
hiệu đầu vào Modulation
Modulation IFFT T Tách chuổi bảo vệ F FFT Demodulation Demodulation Demodulation B Bộ chuyển đổi song song sang nối tiêp T ính lỗi BER Bên nhận
58
Kết quả mô phỏng thể hiện trong các hình từ 5.5 đến 5.10:
Hình 5.5. Kết quả tính BER của mô phỏng đường xuống của 4G LTE với sơ đồ điều chế QPSK trong môi trường rayleigh fading một tia với băng tần 1.4MHz.
Hình 5.6. Kết quả tính BER của mô phỏng đường xuống của 4G LTE với sơ đồ điều chế QPSK trong môi trường rayleigh fading một tia với băng tần 20MHz.
59
Hình 5.7. Kết quả tính BER của mô phỏng đường xuống của mạng di động 4G LTE với sơ đồ điều chế 16QAM trong môi trường rayleigh fading một tia
Hình 5.8. Kết quả BER của đường xuống của 4G LTE với sơ đồ điều chế 64QAM trong môi trường rayleigh fading một tia
60
Hình 5.9. Kết quả chỉ số BER theo EbN0 của 3 sơ đồ điều chế trong môi trường AWGN
Hình 5.10. Kết quả chỉ số BER theo EbN0 của 3 sơ đồ điều chế trong môi trường Rayleigh fading một tia.
61 5.5. Kết luận
Từ các kết quả mô phỏng ở trên và so sánh kết quả mô phỏng ở trên với đường lý thuyết chúng ta có thể kết luận:
- Kết quả mô phỏng về chỉ số BER của đường xuống của mạng di động không dây 4G LTE là hoàn toàn đúng so với kết quả lý thuyết và kết quả này sẽ là nền tảng để phát triển các nghiên cứu tiếp theo trong việc mô phỏng hiệu chất lượng dẫn của mạng di động 4G LTE;
- Tại cùng một giá trị EbN0 thì ki điều chế tín hiệu ở mức càng cao thì khả năng lỗi bít (chỉ số BER) trong truyền dẫn càng lớn.
5.6. Hướng nghiên cứu tiếp theo
Xây dựng bộ mô phỏng đầy đủ của hệ thống 4G LTE với kênh truyền dẫn rayleigh fading nhiều tia, và có sự chuyển động của bên nhận với nhiều chỉ số của môi trường truyền khác nhau, để đánh giá khả năng truyền dẫn của hệ thống di động 4G LTE nhằm phục vụ cho công tác học tập và nghiên cứu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
[1] Agilent Technologies (2001), Digital Modulation in Communications Systems —An Introduction Application Note 1298, Agilent Technologies, Inc,
USA.
[2] Agilent Technologies, Inc. (2007), Solutions for 3GPP LTE, Agilent
Technologies, Inc, USA.
[3] Bernard Sklar (1997), Rayleigh Fading Channels in Mobile digital Communication Systems Part I: Characterization, IEEE Communications
Magazine, New York.
[4] Dr Christian Krapichler (2007), LTE, HSPA and Mobile WiMAX Comparison of Technical Performance, Altran Telecoms & Media, London. [5] Hirishi Harada, Ramjee Prasad (1997), Simulation and software radio for mobile communication, Universal Personal Communication,
[6] Moray Rumney BSc, C. Eng, MIET (2008), 3GPP LTE: Introducing Single-Carrier FDMA, U.S.A.
[7] Ramjee Prasad (2004), OFDM for Wireless Communications Systems, Artech House,Inc,Boston - London.
[8] Tzi-Dar Chiueh and Pei-Yun Tsai (2007), OFDM Baseband Receiver Design for Wireless Communications, John Wiley and Sons (Asia) Pte Ltd,