Bây giờ chúng ta đã thiết lập đƣợc các điểm chuyển mạch điều chế, chúng ta có thể thảo luận thực hiện điều chế thích nghi, về các giới hạn của BER và hiệu suất phổ (BPS). Chúng ta sẽ xem xét thêm ở Torrance và Hanzo [2] cho việc phân tích điều chế thích nghi.
Mục đích chính của điều chế thích nghi là duy trì một sự thực hiện cố định với mức công suất phát thay đổi, sơ đồ điều chế, tốc độ mã hoá, vv ..., cho phép chúng ta thay đổi tốc độ dữ liệu không có sự suy biến về BER. Trong hệ thống thông tin di động mặt đất, giá trị trung bình của mức tín hiệu thu đƣợc thay đổi do kênh fading, điều chế thích nghi là một cách hiệu quả để đạt đƣợc các tốc độ dữ liệu cao. Ở đây chúng ta nghiên cứu các mức điều chế đƣợc điều khiển đƣợc điều chế thích nghi. Chúng ta xem xét hai yếu tố quan trọng là: BER và hiệu suất phổ. Hiệu suất phổ có thể đƣợc định nghĩa là giá trị của log2M (số bít trên một symbol), với M là mức điều chế. Các sơ đồ điều chế đƣợc chọn lựa cho điều chế thích nghi là BPSK, QPSK, 16-QAM và 64-QAM với các mức đề nghị 1, 2, 4 và 6 bit trên symbol tƣơng ứng cho mỗi sơ đồ điều chế. Chúng ta sẽ xem xét một ngƣỡng cơ bản của sơ đồ thích nghi mà các chuyển mạch giữa các sơ đồ điều chế khác nhau phụ thuộc SNR trên kênh đƣợc đánh giá trong suốt mỗi khung. SNR của kênh đƣợc đánh giá tại bộ thu và đƣợc báo lại cho bộ phát qua một kênh phản hồi (feedback). Sự lựa chọn tốc độ có thể đƣợc làm tại bộ phát hoặc bộ thu. Nếu sự lựa chọn tốc độ đƣợc thực hiện tại bộ phát, nhiều thông tin phản hồi đƣợc yêu cầu khi SNR phải đƣợc lƣợng tử hoá và phát đi. Thông tin này đƣợc sử dụng để lựa chọn một sơ đồ điều chế cho khung (frame) truyền kế tiếp bằng cách đó để duy trì BER thấp ở một mức ngƣỡng thực hiện theo yêu cầu. Để có một SNR của kênh đƣợc đánh giá không thay đổi cho tất cả các symbol trong khung truyền chúng ta yêu cầu một kênh fading chậm và phẳng (flat). Điều kiện này cần thiết để chắc chắn rằng các điều kiện kênh không thay đổi một cách đột ngột trong một khung (frame) truyền. Sơ đồ điều chế dựa trên cơ sở SNR của kênh đƣợc đánh giá sẽ không còn tối ƣu trong khung tích cực. Chúng ta sẽ xem xét tác động của tốc độ fading trên sự thực hiện trực tiếp điều chế thích nghi, hình sau cho một cái nhìn tổng quan về điều chế thích nghi.
Hình 2. 8: Sơ đồ điều chế thích nghi cơ bản
Bộ phát (Rayleigh fading + Gaussian) Kênh Bộ thu
Tính toán Metric của tín hiệu thu đƣợc để điều chế thích nghi cho
Nhƣ đã đề cập ban đầu, điều chế thích nghi dựa trên SNR của kênh cơ bản từ tín hiệu thu đƣợc. Ba mức chuyển mạch đƣợc xác lập cho các sơ đồ điều chế đƣợc thừa nhận và đƣợc đáp ứng SNR tại QPSK, 16-QAM và 64-QAM đạt 0.1%, 1% và 10% BER trong một kênh Gaussian. Lý do chúng ta sử dụng thực hiện AWGN để chọn các ngƣỡng là trong suốt khung truyền chúng ta giả sử SNR không thay đổi, nhƣ các điều kiện của AWGN. Các phạm vi đáp ứng ba đích BER khác nhau đƣợc mô tả trong bảng 6. Hình 2.9 cho thấy các mức BER này với các đƣờng cong theo lý thuyết cho các sơ đồ điều chế khác nhau trong AWGN.
Các điều kiện dựa trên SNR đƣợc ƣớc tính Điều chế thích nghi BER = 10% SNR <=2dB BPSK 2dB < SNR <=8dB QPSK 8dB < SNR <=12dB 16QAM 12dB < SNR 64QAM BER = 1% SNR <= 8dB BPSK 8dB < SNR <=14dB QPSK 14dB < SNR <= 20dB 16QAM 20dB < SNR 64QAM BER = 0.1% SNR <= 11dB BPSK 11dB < SNR <=17dB QPSK 17dB < SNR <= 25dB 16QAM 25dB < SNR 64QAM Bảng 6: Các mức chuyển mạch
Thực hiện điều chế thích nghi có thể đƣợc tính nhƣ sau:
1 1.2 . 2.3 . 4.4 . 6. .
16 64
0 2 3 4
l
l l
PBER MBPS Pbpsk f d Pqpsk f d P qam f d P qam f d
l l l (2.5)
Với f là hàm phân bố của SNR tức thời đƣợc giả thiết là phân bố Chi-Square với hai bậc tự do (tƣơng tự, fading Rayleigh), MBPS là số bít trung bình trên một symbol,
3 2 4 2 3 4 0 1. 2. 4. 6. l l l BPS l l l M f d f d f d f d (2.6) 1, , ,2 3 4
l l l l là các mức cố định cho BPSK, QPSK, 16-QAM và 64-QAM, và
, , 16 , 64
bpsk qpsk qam qam
P P P P là xác suất bít lỗi của các sơ đồ điều chế tƣơng ứng trong một kênh AWGN với SNR là . Các công thức này đƣợc cho bởi (2.1), (2.2), (2.3) và (2.4) .
Hình 2.10 (a),(b) và (c) minh họa thực hiện BER theo lý thuyết của điều chế thích nghi cho ba tỷ số lỗi đích khác nhau trong trong sự có mặt của fading Rayleigh nhƣ một hàm của
30
SNR trung bình. Mỗi hình bao gồm thực hiện các sơ đồ điều chế riêng lẽ. Hiệu suất phổ của mỗi tỷ số lỗi đích đƣợc minh họa trong hình 2.10 (d).
Hình 2. 9: Xác suất lỗi bít trong AWGN
(a) (b)
Xác suất lỗi bít của điều chế thích nghi trong AWGN ở 10% , 1% và 0.1%
Hình 2. 10: Thực hiện BER theo lý thuyết của điều chế thích nghi cho ba tỷ số lỗi đích khác nhau
Xác suất lỗi bít và hiệu suất phổ của điều chế thích nghi trong AWGN
Hình đầu tiên sự thực hiện BER và hiệu suất phổ của điều chế thích nghi, không có sơ đồ không thích nghi nào cho thấy sự thực hiện đồng thời cung cấp hiệu quả phổ tốt hơn. Nói cách khác, điều chế thích nghi cung cấp đồng thời hiệu suất phổ và năng lƣợng tốt nhất cho bất kỳ các sơ đồ điều chế. Trong khi các sơ đồ cố định đạt đƣợc một trong hai hiệu quả phổ tốt hoặc hiệu quả năng lƣợng tốt nhƣng không thể cả hai. Điều chế thích nghi tăng hiệu suất phổ mà không giảm sự thực hiện. Chúng ta cũng phải chọn một BER đích không chắc chắn rằng chúng ta sẽ đạt đƣợc sự thực hiện. Điều này do thật sự có một số sơ đồ điều chế cố định. Nhƣ có thể thấy ở hình 2.9, tại bất kỳ tỷ số lỗi đích có các kẽ hở quan trọng giữa các sơ đồ điều chế đƣợc chọn lựa. Ví dụ: tại một tỷ số lỗi đích 1% QPSK yêu cầu SNR là 8dB. Khi SNR của kênh tại giá trị đó, điều chế thích nghi sẽ đạt 1% BER. Tuy nhiên, cho tất cả các giá trị giữa 8dB và 14dB, điều chế thích nghi sẽ sử dụng QPSK và đạt đƣợc tốt hơn 1% BER. Chỉ khi kênh đạt đến 14dB và sơ đồ điều chế chuyển mạch sang 16-QAM sẽ làm cho BER trở lại BER đích. Vì vậy, sự thực hiện sẽ giữ để BER tốt hơn BER đích nhƣ trong hình ngoại trừ khi SNR thấp hơn giá trị cần cho BPSK để đạt đƣợc BER đích.
Các kiểu khác là các tác động của BER đích dựa trên hiệu suất phổ. Khi chúng ta tăng BER đích, tức là chúng ta tăng hiệu suất phổ. Vì vậy, chúng ta có thể dễ dàng thay đổi hiệu suất phổ bằng việc thay đổi BER đích và các mức chuyển mạch.