CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ Mễ PHỎNG HỆ OFDM TRấN MÁY TÍNH
4.2. Ký hiệu dẫn đƣờng hỗ trợ sơ đồ điều chế OFDM
Trong chƣơng trƣớc ta thấy một điều cũn tồn tại đú là khi cú những thay đổi về pha và biờn độ do fading thỡ dạng đƣờng cong BER thu đƣợc sẽ bị lệch đi nhiều so với kết quả lý thuyết. Trong phần này ta sẽ mụ tả phƣơng phỏp bự cho những thay đổi về biờn độ và pha của tớn hiệu do fading. Phƣơng phỏp này dựng thờm ký hiệu dẫn đƣờng (pilot) hỗ trợ cho sơ đồ điều chế OFDM. Ký hiệu dẫn đƣờng ở đõy đƣợc chốn tại nơi phỏt cựng với khoảng bảo vệ nhƣ trỡnh bày ở hỡnh
4.1, và tại nơi thu ta sẽ ƣớc lƣợng đặc tớnh của kờnh bằng cỏch sử dụng cỏc ký hiệu dẫn đƣờng.
. . . . … . . 26 38 38
GI CE Data GI Data GI Data GI Data GI Data GI Data GI
Pa ra ch an nel l Hỡnh 4.1 : Dạng khung của mụ hỡnh mụ phỏng Khoảng bảo vệ F re que nc y time Q Fading I Q Fading I information data Pilot data Một khung truyền
Hỡnh 4.2. Tớn hệu vào và ra của bộ chuyển đổi IFFT
L ối và o -M iền tần s ố L ối ra -M iền thờ i gian 0 0 1 1 2 2 26 27 62 62 63 63 Null #1 #2 Null Null Null #-26 #-26 #-1 #-2
Vỡ cỏc mức dao động ở mỗi kờnh súng mang con là độc lập nờn cú thể chốn ký hiệu dẫn đƣờng vào tất cả cỏc miền tần số tại khoảng thời gian xỏc định. Sau đú bằng việc sử dụng phƣơng phỏp ƣớc lƣợng đặc tớnh của kờnh ta cú thể khụi phục lại đƣợc dữ liệu đó truyền. Sơ đồ khối của phƣơng phỏp mụ phỏng đƣợc trỡnh bày ở hỡnh 3.1. Trong phần mụ phỏng này ta sử dụng một số thụng số trong mụ hỡnh hệ thống WLAN dựa trờn OFDM dựng chuẩn EIST BRAN, IEEE 802.11 trong dự ỏn ARIB MMAC. Cỏc thụng số này đƣợc liệt kờ sau đõy.
Số súng mang con: 52 súng mang con đƣợc chấp nhận và tạo ra bởi mạch FFT 64 điểm. Trong 52 súng mang con này, 48 súng mang đƣợc sử dụng cho thụng tin dữ liệu, cỏc súng mang con lại đƣợc dựng để bự đối với ồn pha. Vỡ thế chỳng ta đƣa dữ liệu vào tất cả 52 súng mang. Hỡnh 4.2 chỉ rừ sự phõn bổ tần số cho 52 súng mang trong mạch IFFT 64 điểm.
Khoảng bảo vệ 800ns: Để trỏnh đƣợc hiệu ứng đa đƣờng cú thời gian trễ lớn hơn độ dài của một ký hiệu, tớn hiệu mở rộng cú tớnh chu kỳ đƣợc chốn trƣớc mỗi tớn hiệu OFDM. Khoảng bảo vệ đƣợc sử dụng là 800ns vỡ ta phải quan tõm tới việc sử dụng hệ thống thụng tin khụng dõy dựa trờn OFDM khụng chỉ cho mụi trƣờng trong nhà mà cũn cả mụi trƣờng ngoài trời. Đối với mụi trƣờng <5-GHz, một khoảng thời gian là 800ns là đủ để khụi phục lại cỏc súng trễ chớnh. Hỡnh 4.3 trỡnh bày dạng khung cơ bản và cấu trỳc của mỗi ký hiệu OFDM.
Tốc độ lấy mẫu: Tốc độ lấy mẫu (20MHz) bằng với tốc độ của tớn hiệu vào của khốỡ IFFT. Đú là vỡ ta cần đạt đƣợc thụng lƣợng tổng là lớn hơn 20Mbps.
Sơ đồ điều chế: Trong mụi trƣờng mạng LAN khụng dõy (WLAN) kỹ thuật giải mó vi sai và sơ đồ điều chế tỏch súng băng gốc nhƣ D8PSK đƣợc sử dụng. Tuy nhiờn theo một vài uỷ ban tiờu chuẩn, thiết bị đầu cuối sử dụng cho dữ liệu băng rộng khụng chỉ thực hiện cho mụi trƣờng trong nhà mà cũn thực hiện đƣợc cho cả mụi trƣờng ngoài trời. Vỡ vậy chỳng ta quan tõm về sơ đồ điều chế tỏch súng đồng bộ nhƣ BPSK, QPSK, 8- PSK, và 16 – QAM. Đú là những phƣơng phỏp đƣợc sử dụng để nõng cao chất
lƣợng của dữ liệu truyền. Trong phần này sử dụng QPSK cho hệ thống OFDM.
FEC: Về cơ bản FEC dựa trờn cơ sở của mó chập và quyết định mềm trong giải mó Viterbi với R=1/2 và K=7 (Với R là tốc độ mó và K là chiều dàiềang buộc). Đối với tốc độ mó hoỏ khỏc chỳng ta sử dụng phƣơng phỏp mó chập đục lỗ và giải mó Viterbi quyết định mềm. Tuy nhiờn trong phần mụ phỏng này khụng thảo luận về phƣơng phỏp mó hoỏ.
Tạo dạng khung: Hỡnh 4.3 trỡnh bày dạng khung mụ phỏng của hệ thống OFDM. Khung này đƣợc chia làm hai phần : cỏc ký hiệu ƣớc lƣợng kờnh và cỏc ký hiệu dữ liệu truyền. Trong phần này sử dụng một ký hiệu ƣớc lƣợng kờnh và sỏu ký hiệu dữ liệu truyền nhƣ là một đơn vị khung. Trong ký hiệu CE (channel estimation), độ lệch về biờn độ và pha sau đƣờng truyền đƣợc ƣớc lƣợng và dƣợc bự trừ (sẽ núi ở phần hiệu chỉnh ma trận quay pha trong chƣơng trỡnh). Để dễ tiến hành và so sỏnh với những kết quả của phần trƣớc chỳng ta mụ phỏng theo cỏc kịch bản sau:
A. 52 súng mang khụng cú sự hỗ trợ của ký hiệu dẫn đƣờng QPSK trong sơ đồ truyền dẫn OFDM
B. 52 súng mang cú sự hỗ trợ của ký hiệu dẫn đƣờng QPSK trong sơ đồ truyền dẫn OFDM
C. 52 súng mang cú sự hỗ trợ của ký hiệu dẫn đƣờng QPSK trong sơ đồ truyền dẫn OFDM( Eb/N0 đối với BER hoặc Eb/N0 đối với PER dƣới tỏc động của AWGN, fading Rayleigh một đƣờng và fading Rayleigh hai đƣờng );
D. 52 súng mang cú sự hỗ trợ của ký hiệu dẫn đƣờng QPSK trong sơ đồ truyền dẫn OFDM ( Tỷ số súng mang trờn nhiễu đối với BER và PER).
Mụ hỡnh kờnh vụ tuyến: Trong phần mụ phỏng này sử dụng kờnh fading Rayleigh một đƣờng và fading Rayleigh hai đƣờng thụng thƣờng. Trong mụi trƣờng fading Rayleigh hai đƣờng, thời gian trễ của cỏc súng trễ là rất quan trọng. Khoảng bảo vệ là 800ns vỡ vậy đặt thời gian trễ là 250ns.
thờm nữa tần số Doppler luụn đƣợc sử dụng là fd= 50Hz (3m/s)@5Ghz tức là 11km/giờ) hoặc fd= 150Hz (15m/s)@5 Ghz tức là 55km/giờ ). Để đỏnh giỏ đƣợc chức năng của hệ thống, chỳng ta khụng chỉ mụ phỏng khả năng lỗi bớt cú thể mà cũn mụ phỏng cả tỷ số lỗi gúi PER trong đú gúi đƣợc định nghĩa là số lƣợng bit dữ liệu đƣợc truyền trờn một đơn vị khung. Trong trƣờng hợp này sỏu ký hiệu OFDM tồn tại trờn một đơn vị khung. Nếu cú nhiều hơn một trong những bit dữ liệu lỗi đƣợc truyền trong một khung thỡ một gúi dữ liệu lỗi sẽ xuất hiện.
Mụ phỏng đối với trƣờng hợp A, tất cả cỏc chƣơng trỡnh đƣợc sử dụng chủ yếu là mụ phỏng hệ thụng tin đối với trƣờng hợp sử dụng số súng mang con là 52. Trong trƣờng hợp này ta tỡm hiểu kờnh truyền dƣới tỏc động của fading và khung dữ liệu lỳc này gồm cả GI và data vỡ vậy cỏc biến chung đó đƣợc sử dụng trong chƣơng trỡnh mụ phỏng của kờnh khi số súng mang là 128 khụng đƣợc sử dụng hết. Và lỳc này ta chỉ xột kờnh truyền với số súng mang ớt hơn rất nhiều. Cỏc biến đƣợc sử dụng trong khi mụ phỏng đƣợc khai bỏo nhƣ sau: para=52; % số kờnh song song
fftlen=64; % Độ dài FFT
noc= 53; % Số lƣơng súng mang
nd=6; % Số ký hiệu OFDM cho một vũng lặp. ml=2; %Mức điều chế QPSK
sr=250000; % Tốc độ ký hiệu OFDM br= sr.*ml ; % Tốc độ bit trờn súng mang gilen =16; % Độ dài khoảng bảo vệ (points) ebn0= 3; % EbN0
Tiếp theo ta gỏn giỏ trị ban đầu cho cỏc thụng số tstp=1/sr(fftlen+gilen); % Độ phõn giải thờig ian itau=[0]; % Thời gian đến
dlvl1=[0]; % Cụng suất trung bỡnh cho mỗi nhỏnh da đƣờng n0=[6]; % Số súng tạo pha đinh
th1=[0.0]; % Pha trễ ban đầu
itnd1=[1000]; % Đặt bộ đếm pha ding
now1=1; % Số súng trực tiếp và súng trễ fd=150; % Độ dich Doppler cực đại flat=0; %
itnd0==nd*(fftlen+ gilen)* 20; % Số đếm fading
Để mụ phỏng ta cần phải khai bỏo cỏc biến tiếp theo nhƣ nloop= 1000; % Số vũng lặp sử dụng trong mụ phỏng noe=0; % Số dữ liệu bị lỗi
nod=0 ; %Số dữ liệu truyền eop=0; %số gúi lỗi;
nop=0;% Số gúi truyền
Sau khi thực hiện tất cả cỏc theo tỏc trờn ta cú thể thực hiện chƣơng trỡnh mụ phỏng để thu đƣợc BER và PER. Tƣơng tự nhƣ bài toỏn trƣớc ta cần tạo ra chuỗi dữ liệu ngẫu nhiờn là 0 và 1, đƣợc xem nhƣ là vector 1 hàng và para*nd*ml cột. Dữ liệu đú đƣợc gọi là “seridata”
seridata=rand(1,para*nd*ml)>0.5;
seridata đƣợc biến đổi thành “paradata” gồm nd*ml hàng và 1cột đƣợc truyền song song.
paradata= reshape(seridata, para, nd*ml);
Vector paradata này sẽ đƣợc đƣợc đƣa tới mạch mapping. Trong mạch này dữ liệu song song đƣợc chuyển đổi thành dữ liệu song song cho hai kờnh, Ich và Qch bằng cỏch sử dụng phƣơng phỏp predefined mapping.
[ ich, qch]= qpskmod( paradata, para, nd,ml); Sau đú cỏc dữ liệu này đƣợc chuẩn hoỏ bằng lệnh: kmod=1/sqrt(2);
ich1=ich.*kmod; qch1=qch.*kmod;
Cỏc dữ liệu song song trong miền tần số đƣợc đƣa tới mạch IFFT. Trong trƣờng hợp này ta truyền 52 súng mang con bằng cỏch sử dụng kỹ thuật OFDM dựa trờn mạch 64 điểm IFFT. Phƣơng phỏp này đƣợc trỡnh bày trờn hỡnh 4.2. [ich1,qch1]=crmapping(ich1,qch1,fftlen,nd);
ich1 và qch1 đƣợc đƣa tới IFFT và dạng súng của chỳng đƣợc định dạng thành dạng súng OFDM.
X=ich1+qch1.*i; %i : complex number y=ifft(x);
ich2=real(y); qch2=imag(y);
Cỏc dữ liệu nối tiếp này đƣợc chốn khoảng bảo vệ tại mỗi kờnh để giảm đi ISI do phading.
fftlen2=fftlen+gilen;
[ich4,qch4]=giins(ich2,qch2,fftlen,gilen,nd);
fftlen2 đƣợc định nghĩa là độ dài của một ký hiệu bao gồm cả khoảng bảo vệ. Dữ liệu điều chế OFDM trờn Ich và Qch đƣợc trỡnh bày trờn hỡnh 4.4.
(b)
Hỡnh 4.4. Dữ liệu truyền trờn kờnh I (a), Dữ liệu truyền trờn kờnh Q (b)
Tớn hiệu đƣợc truyền trờn kờnh vụ tuyến (tƣơng đƣơng với hệ thống thụng thấp) tới nơi nhận. Tớn hiệu này sẽ bị làm nhiễu bởi nhiễu đa đƣờng. Trong chƣơng trỡnh mụ phỏng ta cú thể thực hiện mụ phỏng trƣờng hợp kờnh truyền khụng chịu sự tỏc động của kờnh fading hoặc kờnh dƣới tỏc động của kờnh fading. Nếu mụ phỏng để tớnh BER và PER dƣới sự tỏc động của kờnh fading ta thực hiện đoạn lệnh:
ifade,qfade,ramp,rcos,rsin]=sefade(ich4,qch4,itau,dlvl1,th1,n0,itnd1,now1,length (ich4),tstp,fd,flat);
tnd1 = itnd1+itnd0; % Updata fading counter ich4=ifade;
(a)
(b)
Hỡnh 4.5. Dữ liệu truyền trờn kờnh I (a), Dữ liệu truyền trờn kờnh Q (b)
Tại nơi nhận, cỏc tớn hiệu bị làm nhiễu bởi AWGN, trong phần này sử dụng hàm comb.m để mụ phỏng. Phần mụ phỏng này muốn tạo ra đƣờng đồ thị trỡnh bày mối quan hệ giữa Eb/N0 và BER. Cú nghĩa là ta cần phải thay đổi
”attn” cho phự hợp Eb/N0. Biến “attn” đƣợc tớnh bởi thủ tục tƣơng tự nhƣ đƣợc sử dụng trong BPSK. ở đõy “spow” chỉ cụng suất tớn hiệu trờn súng mang trờn ký hiệu. Đối với OFDM, “spow” phải phõn chia bởi “para” để chỉ số súng mang con song song.
spow=sum(ich4.^2+qch4.^2)/nd./para; attn=0.5*spow*sr/br*10.^(-ebn0/10); attn=sqrt(attn);
Bằng việc sử dụng attn và comb.m dữ liệu truyền bị làm nhiễu bởi AWGN. [ich5,qch5]=comb(ich4,qch4,attn);
Sau đú khoảng bảo vệ bị loại bỏ từ những tớn hiệu nhận đƣợc ich5 và qch5. [ich6,qch6]=girem (ich5,qch5,fftlen2,gilen,nd);
Những dữ liệu tuần tự „ich6” và “qch6” trờn miền thời gian đƣợc đƣa tới mạch FFT. Những dữ liệu nối tiếp này đƣợc chuyển đổi thành dữ liệu song song trờn miền tần số.
rx=ich6+qch6.*i; ry=fft(rx);
ich7=real(y); qch7=imag(y);
Từ kết quả cú 64 kờnh ra, vỡ mạch FFT trờn dạng FFT 64 điểm. Tuy nhiờn thụng tin đặt trờn 52 kờnh. Vỡ vậy ta lấy đƣợc 52 kờnh từ 64 kờnh.
[ich8,qch8]= crdemapping(ich7,qch7,fftlen2,gilen,nd);
Sau đú dữ liệu biến đổi đƣợc phõn chia bởi kmod cho mỗi kờnh và đƣa tới bộ giải điều chế.
[ich8,qch8]= crdemapping(ich7,qch7,fftlen2,gilen,nd); ich9=ich8./kmod;
qch9=qch8./kmod;
[demodata]=qpskdemod(ich9,qch9,pảa,nd,m1);
Dữ liệu giải điều chế đƣợc biến đổi thành 1 hàng và para*nd*m1 cột và đƣợc gọi là”demodata”.
Tiếp theo ta sẽ tớnh số bớt lỗi và số gúi dữ liệu lỗi. Trong phần mụ phỏng này dữ liệu truyền là “seridata” và dữ liệu nhận là “demodata”. Phần tớnh toỏn cho chƣơng trỡnh sau:
% Tớnh số bit lỗi và gúi lỗi
noe2=sum(abs(demodata1-seldata)); nod2=length(seldata); % Tớnh BER noe=noe+noe2; nod=nod+nod2; % tinh PER if noe2~=0 eop=eop+1; else eop=eop; end eop; nop=nop+1;
Tớnh BER và PER sử dụng đoạn sau: per=eop/nop;
ber=noe/nod;
Sau khi mụ phỏng dựng file ofdmda.m ta thu đƣợc dạng đồ thị của BER và PER nhƣ hỡnh vẽ 4.6.
Hỡnh 4.6. Dạng đƣờng cong BER (DATA)
Dạng đồ thị BER trờn hỡnh 4.6 cho ta thấy những tỏc động của kờnh truyền đó ảnh hƣởng rất nhiều đến việc truyền và khụi phục tớn hiệu. Hơn nữa giữa lý thuyết và mụ phỏng đó cú sự khỏc nhau rất nhiều. Từ đồ thị ta thấy khi cú thờm ký hiệu CE mặc dự độ dịch tần Doppler là 150Hz tƣơng ứng với mỏy thu chuyển động tốc độ 54km/h (đối với WLAN) thỡ dạng đƣờng cong BER thu đƣợc vẫn gần giống với dạng BER khi chƣa cú fading. Đõy là vận tốc rất nhanh và thực tế ta cú thể khú cú thể ỏp dụng đƣợc. Dạng đƣờng cong BER với cỏc vận tốc khỏc nhau (50 Km/h và 150Km/h) của mỏy thu khi mụ phỏng nhƣ hỡnh vẽ sau:
Mặt khỏc theo đồ thi BER ta thấy khi thay đổi tần số Doppler và biến flat với điều kiện cú sự thăng giỏng cả về pha và biờn độ nhƣng cú sử dụng ký hiệu CE thỡ tỷ số lỗi bit cũng khụng tăng ( hai đƣờng cong khi tần số Doppler thay đổi cú chốn CE bỏm sỏt nhau). Chứng tỏ rằng khi chốn ký hiệu CE mặc dự kờnh truyền chịu sự tỏc động của fading Rayleigh và cú sự thay đổi về pha và biờn độ ta vẫn cú thể khụi phục đƣợc tớn hiệu . Và đõy chớnh là tỏc dụng của tham số ƣớc lƣợng kờnh CE.
Hỡnh 4.7. Dạng đƣờng cong PER
Dạng đƣờng cong của PER trỡnh bày trờn hỡnh 4.7 là kết quả của việc thực hiện mụ phỏng PER dƣới sự tỏc động của kờnh truyền AWGN, Fading Rayleigh và cú sự bự của CE. Từ đồ thị ta nhận thấy, khi cú chốn ký hiệu CE, nếu tăng tỷ số lỗi bit thỡ tỷ số lỗi gúi PER đó giảm so với trƣờng hợp kờnh đa đƣờng và kết quả mụ phỏng thu đƣợc sẽ bị lệch đi so với lý thuyết. Nguyờn nhõn của sự lệch này là do cú chốn thờm khoảng bảo vệ. Và đại lƣợng này đƣợc tớnh nhƣ sau:
shifted value=-10log10 2 fftlen gilen
Ở phần trƣớc đó định nghĩa độ dài khoảng bảo vệ và độ dài của một ký hiệu gồm cả khoảng bảo vệ là gilen và fftlen2. Trờn hỡnh 4.7 dạng đồ thị BER đƣợc vẽ khi cú độ dịch tần Doppler là 150Hz . Khi muốn vẽ BER trong mụi trƣờng fading Rayleigh một đƣờng ta thực hiện đoạn lệnh sau
[ifade,qfade,ramp,rcos,rsin]=sefade(ich4,qch4,itau,dlvl1,th1,n0,itnd 1,now1,length(ich4),tstp,fd,flat);
itnd1 = itnd1+itnd0; ich4=ifade;
và thay đổi biến flat giữa 0 và 1. Biến Flat thay đổi với ý nghĩa nếu ta gỏn cho flat giỏ trị bằng 0 tức là ta xột kờnh fading thƣờng cú pha và biờn độ tớn hiệu cựng thăng giỏng. Nếu flat bằng 1 tức là ta xột kờnh fading chỉ cú sự thăng giỏng của biờn độ.
Hỡnh 4.8: BER cú DA
Tại nơi nhận, ta cú thể đỏnh giỏ đƣợc đặc tớnh kờnh truyền đối với mọi ký hiệu. Bằng cỏch sử dụng đỏnh giỏ đặc tớnh truyền ta cú thể khụi phục đựơc tớn hiệu truyền.
Trong chƣơng này ta đặc biệt chỳ ý tới cỏch chốn ký hiệu dẫn đƣờng vào dữ liệu để thực hiện khụi phục lại tớn hiệu. Trong khi mụ phỏng thực hiện việc chốn ký hiệu dẫn đƣờng vào dữ liệu ta sẽ thực hiện đoạn lệnh sau:
% CE data generation kndata=zeros(1,fftlen);
kndata0=2.*(rand(1,52)>0.5)-1; kndata(2:27)= kndata(1:26); kndata(39:640= kndata0(27:52); ceich= kndata; CE: BPSK
ceqch=zeros(1,64);
Đõy là đoạn lệnh thực hiện việc chốn dữ liệu dẫn đƣờng. Dữ liệu dẫn đƣờng ở đõy là dữ liệu ngẫu nhiờn và chỳng chỉ đƣợc chốn trong Ich.
Dữ liệu đƣợc chốn vào miền thời gian trƣớc thụng tin dữ liệu OFDM. Ta sử dụng cỏc cõu lệnh
[ich1,qch1]=crmapping(ich,qch,fftlen,nd); ich2=[ceich.‟ ich1]; % Dữ liệu truyền kờnh I
qch2=[ceich.‟ qch1]; % Dữ liệu truyền kờnh Q
Bằng cỏch định dạng dữ liệu truyền, ich2 và qch2 chỳng ta cú thể thực hiện FFT. % IFFT rx=ich2+ch2.*i; ry=fft(rx); ich3=real(y); qch3=imag(y);
Khoảng bảo vệ đƣợc chốn và truyền đi. Trong khi mụ phỏng, cỏc tớn hiệu truyền bị làm nhiễu vỡ fading đa đƣờng và AWGN. Tại nơi nhận khoảng bảo vệ đó chốn bị gỡ bỏ. Một cỏch tuần tự cỏc tớn hiệu này sẽ đƣợc đƣa tới bộ FFT. rx=ich6+qch6.*i;
ry=fft(rx); ich7=real(y); qch7=imag(y);
Bằng việc sử dụng ký hiệu CE ta cú thể đỏnh giỏ đƣợc đặc tớnh truyền. Khi đú ta cần sử dụng lệnh ce=1; ice0=ich2(:,ce); qce0=qch2(:,ce); % Tỏch dữ liệu CE từ dữ liệu nhận đƣợc