Khối điều khiển chèn: Khối này lấy thông tin chèn từ khối quyết định, nếu sóng mang nào có BER ng
tb BER
khi đó phần tử trong mảng QĐ có chỉ số bằng số thứ tự của sóng mang này sẽ có giá trị là ‟1‟ và ta phải tiến hành chèn ‟0‟ lên sóng mang
đảm bảo sao cho nếu không sử dụng sóng mang thì sẽ chèn thêm ký hiệu ‟0‟, và nếu sử dụng thì không chèn. Quá trình sắp xếp này rất phức tạp, tuy nhiên nếu hiểu kỹ về cấu trúc của ký hiệu OFDM, và cấu trúc ký hiệu đem điều chế sóng mang con thì công việc sẽ dễ dàng hơn. Sau đây là lưu đồ thuật toán mô tả hoạt động của khối điều khiển chèn. .
Hình 4.5 Lưu đồ thuật toán mô tả hoạt động của khối điều khiển chèn Khối điều khiển giải chèn: Hoạt động của khối điều khiển giải chèn hoàn toàn ngược lại với khối điều khiển chèn. Khối này lấy thông tin chèn từ khối quyết định, dựa trên thông tin về các vị trí chèn khối này sẽ tiến hành giải chèn tức là loại bỏ
những ký hiệu chèn trên những sóng mang con được chèn và đưa những ký hiệu chèn này đến bộ ước tính kênh để tiến hành tìm ra đáp ứng kênh.
4.5 Kết luận
Chương này đã giải thích thế nào là điều chế thích nghi, phân tích nguyên lý thích nghi chung cho các hệ thống truyền dẫn, phân tích các bước thực hiện cho các phương pháp thích nghi. Đồng thời đề xuất các phương án thích nghi: Thích nghi theo SNR phát, thích nghi theo mức điều chế, thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang. Phân tích ưu nhược điểm và tính khả thi của từng phương án thích nghi, cuối cùng luận văn chứng minh tính hiệu quả và tính khả thi của ba phương án thích nghi: thích nghi theo mức điều chế, thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang và phương án kết hợp hai phương án thích nghi này. Chương này cũng đã đề xuất mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM sử dụng thuật toán thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang, đồng thời phân tích lưu đồ thuật toán hoạt động của các module thích nghi trong hệ thống. Lý thuyết thích nghi sẽ được hiểu rõ hơn thông qua các kết quả mô phỏng các hệ thống thích nghi trong chương tiếp theo của luận văn.
Chương 5
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN AOFDM 5.1 Giới thiệu
Trên cơ sở phân tích lý thuyết về OFDM và lý thuyết thích nghi, chương này sẽ tiến hành mô phỏng thống AOFDM trên kênh fading đa đường bằng phần mềm mô phỏng Matlab.
Matlab là một phần mềm mô phỏng có hệ thống thư viện lớn, giao diện đồ hoạ phong phú, có khả năng tương thích với nhiều ngôn ngữ bậc cao, cho phép mô phỏng các hệ thống động trong nhiều miền khác nhau (miền không gian, miền tần số, miền Z . . . ), . . . Chính vì có những ưu điểm vượt trội nên Matlab được sử dụng rất phổ biến trong nghiên cứu mô phỏng các hệ thống trước khi đưa và thực tế.
5.2 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích nghi nghi
5.2.1 Mô hình mô phỏng
Mô hình mô phỏng hệ thống OFDM được cho ở hình 5.1.
Mục tiêu: thực hiện truyền một file ảnh qua hệ thống truyền dẫn AOFDM và phân tích ưu nhược điểm của các hệ thống truyền dẫn. Dữ liệu đọc được từ file ảnh sẽ có dạng một vector 3 chiều, với các phần tử có dạng thập phân 1-256. Nhưng không thể truyền trực tiếp một vector 3 chiều được cho nên phải tiến hành chuyển đổi vector 3 chiều thành vector 1 chiều, sau đó để truyền qua hệ thống OFDM cần tiến hành chuyển đổi dữ liệu thập phân sang „từ‟ nhị phân 8 bit. Bộ tính lỗi sẽ so sánh sự khác nhau giữa dữ liệu phát và thu và tính số lượng lỗi, sau đó hiển thị lỗi để tính hiệu
năng của hệ thống. Dữ liệu nhị phân sau đó được đưa lên điều chế M-QAM, tiếp theo dữ liệu sau điều chế M-QAM được đưa đến bộ điều chế OFDM. Dữ liệu sau điều chế OFDM được phát qua kênh vô tuyến đến máy thu. Máy thu sẽ thực hiện ngược các công việc với phía phát. Dữ liệu cuối cùng có dạng vector 3 chiều với các phần tử có dạng thập phân sẽ được khôi phục dưới dạng file ảnh và hiển thị để so sánh với ảnh ban đầu. Hoạt động của khối tính BER, khối quyết định, khối điều khiển chèn, khối điều khiển giải chèn hoàn toàn tương tự như các khối này ở mô hình cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang được trình bầy trong chương 4. Trong phương pháp thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang, nếu ngưỡng BER thiết lập ban đầu cho các thành phần sóng mang là đủ nhỏ thì ảnh truyền qua hệ thống AOFDM sẽ có chất lượng cao, ngược lại nếu ngưỡng BER được thiết lập lớn thì chất lượng ảnh sẽ tồi hơn. Tuy nhiên nếu ngưỡng BER được thiết lập quá nhỏ sẽ dẫn đến tốc độ truyền dẫn sẽ thấp khi điều kiện kênh quá tồi. Để tăng tốc độ truyền dẫn trong điều kiện kênh truyền như vậy hoặc ta phải tăng ngưỡng BER hoặc giảm mức điều chế.
5.2.2. Thiết lập các thông số mô hình mô phỏng
Thiết lập các thông số mô hình mô phỏng là khâu đầu tiên của bài toán mô phỏng. Viêc thiết lập các thông số mô phỏng phù hợp sẽ đem lại kết quả mô phỏng chính xác và hiệu quả [24].
Xét các tham số vào ra của hệ thống.
Giao diện nhập số liệu:
Bảng 5.1 Thông số mô phỏng hệ thống OFDM thích nghi
Tham số Giá trị
Tốc độ dữ liệu: Rb 2 Mbps
Mức điều chế sóng mang M-QAM M = 2, 4, 16, 64
Tần số lấy mẫu: fs fs
Số lượng sóng mang: Nsub 52 - 1024
Kích thước FFT: NFFT NFFT
Chu kỳ cơ bản: T 1/ Rb = 0,5 µs
Thời gian ký hiệu hữu ích: TFFT TFFT = Nsub ×log2(M) ×T Khoảng thời gian bảo vệ: TG TG
Chiều dài ký hiệu OFDM : Tsym = TFFT + TG
Thời gian mô phỏng: Tsim Tsim = 0,064 s
Cửa sổ Kaiser, β = 10
Trong đó:
Kích thước FFT: là số điểm FFT dùng trong một ký hiệu OFDM hay chính là độ dài ký hiệu OFDM. Để đảm bảo phổ OFDM là thực thì kích thước FFT > 2 lần số lượng sóng mang.
Kích thước FFT nếu chọn quá lớn sẽ lãng phí băng tần nhưng bù lại sẽ phân năng lượng tín hiệu đều trên các sóng mang, điều này có tác dụng phân tán lỗi. Tuy nhiên nếu kích thước FFT chọn quá nhỏ thì mật độ năng lượng trên mỗi sóng mang con sẽ lớn và nếu bị lỗi thì sẽ gây lỗi cụm. Vì vậy nên chọn giá trị tham số:
2:1< kích thước FFT: số sóng mang 5:1 (5.1) Cụ thể luận văn thiết lập là 256.
dụng là chọn lọc sóng mang tức là lựa chọn các sóng mang có SNR cao ( BER thấp) để truyền dữ liệu nên số lượng sóng mang lớn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng vì khi đó cơ chế chọn lọc sẽ hoạt động hiệu quả hơn, sẽ lựa chọn chính xác các vùng tần số tương đối ổn định trên kênh. Do đó tốc độ xử lý không cao như tốc độ xử lý phần cứng trong thực tế nên khi mô phỏng nên chọn số lượng sóng mang 500
Trong luận văn số lượng sóng mang sử dụng là 100.
Khoảng thời gian bảo vệ: khoảng bảo vệ được chọn = 1/4 kích thước FFT và khoảng bảo vệ được gắn phía trước ký hiệu. Tuy nhiên khoảng bảo vệ cũng được chọn lựa tuỳ theo kích thước FFT là lớn hay nhỏ và giá trị trải trễ cực đại của kênh. Luận văn chọn giá trị khoảng bảo vệ = 1/4 kích thước FFT, trên giao diện nhập dữ liệu khoảng bảo vệ được hiển thị bằng nhãn 'Khoảng bảo vệ' (4 có nghĩa là khoảng bảo vệ = 1/4 kích thước FFT).
Ngưỡng BER: Ngưỡng BER là giá trị dùng để thiết lập xem sóng mang nào sẽ được dùng truyền dữ liệu người dùng và sóng mang nào sẽ không sử dụng tức là phải tiến hành chèn „0‟. Trong luận văn giá trị BER ngưỡng được thiết lập là 10-3.
Đáp ứng xung : Đáp ứng xung là số lượng xung và giá trị biên độ suy giảm của các xung đó cùng với thời gian trễ.
Hình 5.6 Đáp ứng xung của kênh
Hình 5.6 biểu diễn hình dạng của đáp ứng xung của kênh, với 3 đường trễ. Tương ứng các giá trị biên độ trên hình vẽ là các giá trị biên độ suy giảm của nhánh trễ của kênh. Và thời gian trễ của từng nhánh là thời gian trễ của các xung kim của kênh.
Thời gian trễ của xung thứ nhất sẽ là 5 tương ứng với nhãn „nhánh 1‟ trên bảng. Thời gian trễ của xung thứ hai là 5+3 = 8 tương ứng với nhãn 'nhánh 2' trên bảng. Thời gian trễ của nhánh thứ ba là 5+3+9 = 17 tương ứng với nhãn „nhánh 3‟ trên bảng. Các giá trị biên độ suy giảm của nhánh trễ sẽ tương ứng với các nhánh là các nhãn „suy giảm 1‟, „suy giảm 2‟, ‟suy giảm 3‟ với các giá trị lần lượt là 0.32, 0.28, 0.13.
Tần số lấy mẫu ký hiệu phát: Để đảm bảo lấy mẫu được đầy đủ ký hiệu phát thì tần số lấy mẫu cần thoả mãn định lý Shannon- Nyquist: fs 2fsym. Trong luận văn giá trị tần số lấy mẫu = 3 lần giá trị tần số ký hiệu OFDM.
Số trạng thái điều chế: Trong luận văn dùng phương pháp điều chế chủ yếu là M- QAM, với số trạng thái điều chế thay đổi với các giá trị M = 2, 4, 16, 64. Số trạng thái điều chế ban đầu được thiết lập là giá trị nằm dưới nhãn 'Mức điều chế QAM' trong bảng khởi tạo. Khi chọn cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang hoặc không chọn cơ chế thích nghi nào thì số trạng thái điều chế được giữ nguyên trong quá trình mô phỏng, nếu chọn cơ chế thích nghi mức điều chế thì số trạng thái điều chế sẽ được thay đổi tuỳ theo tình trạng kênh hiện thời hay giá trị BER tổng cộng sau mỗi lần phát ký hiệu OFDM. Trong luận văn giá trị số trạng thái điều chế ban đầu được thiết lập là 2.
5.3 Chương trình mô phỏng
5.3.1 Giao diện chương trình mô phỏng
Phần khung công cụ thực hiện bao gồm các nút công cụ:
‘Input Data’:sẽ mở ra một giao diện để nhập các thông số khởi tạo hệ thống.
„Close‟: sẽ đóng giao diện mô phỏng.
‘Back’: sẽ quay trở lại giao diện đầu tiên „AOFDM‟.
Phần khung công cụ thích nghi bao gồm các nút công cụ:
‘Chọn lọc SM’: là biểu tượng khi tích vào hệ thống sẽ kích hoạt chế độ thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang.
‘Mức điều chế’: khi tích vào biểu tượng này hệ thống sẽ kích hoạt chế độ thích nghi theo mức điều chế (AQAM. Có thể kích hoạt đồng thời hai cơ chế thích nghi bằng cách tích vào cả hai biểu tượng trên.
‘Kênh động’: là công cụ mà khi kích hoạt nó sẽ tạo ra một kênh vô tuyến có hàm truyền đạt thay đổi theo thời gian. Nếu không kích hoạt công cụ này thì kênh mô phỏng sẽ là kênh tĩnh, các tham số kênh sẽ giữ nguyên trong quá trình mô phỏng.
Phần hiển thị tín hiệu M-QAM: hiển thị chòm sao M-QAM tại bộ thu sau khi tín hiệu được giải điều chế OFDM. Khi số trạng thái điều chế là M thì phần giao diện này sẽ hiện thị chòm sao M-QAM, trên phần giao diện là chòm sao 16-QAM.
Phần hiển thị tín hiệu OFDM: sẽ hiển thị dạng sóng trong miền thời gian của tín hiệu OFDM phát và thu đồng thời cũng hiển thị hàm truyền đạt của kênh và phổ của tín hiệu OFDM thu. Mục đích luận văn xây dựng giao diện hiển thị phổ của tín hiệu OFDM thu và hàm truyền đạt của kênh để dễ dàng quan sát cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang. Ứng với những vị trí mà hàm truyền đạt của kênh nhận các giá trị khác „1‟ rất nhiều thì các sóng mang con có giá trị tần số nằm gần khoảng đó sẽ không được sử dụng, trên giao diện ta thấy ứng với các giá trị này thì đáp ứng tần số của tín hiệu thu sẽ xấp xỉ „0‟. Cơ chế chọn lọc sóng mang được coi là hoạt động tốt khi lựa chọn được những khoảng mà đáp ứng của kênh là xấp xỉ „1‟.
các sóng mang con được hiện thị dưới nhãn „Giá trị BER của các sóng mang con‟. Giá trị BER của hệ thống được hiển thị dưới nhãn „BER‟.
5.3.2 Các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng
Luận văn sẽ nghiên cứu hoạt động của hệ thống truyền dẫn OFDM khi chỉ dùng một cơ chế thích nghi, khi dùng đồng thời các cơ chế thích nghi và khi không dùng thích nghi. Đồng thời cũng nghiên cứu hiệu năng của các phương pháp thích nghi trong các điều kiện kênh khác nhau: kênh tĩnh, kênh động và các tham số kênh khởi tạo khác nhau.
5.3.2.1 Kết quả mô phỏng không dùng cơ chế thích nghi [11]
Thực hiện truyền một file ảnh với phương pháp điều chế 4 QAM qua hệ thông OFDM truyền thống (không thích nghi)
Tham số ban đầu được thiết lập như giao diện khởi tạo phía trên. Giao diện mô phỏng sẽ như sau:
Ta thấy trên ảnh thu được có những đường lỗi cụm do các sóng mang tại những vị trí kênh biến động lớn.
5.3.2.2 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích nghi mức điều chế
Cơ chế chuyển mức tuân theo quy tắc sau: Nếu đang ở mức BPSK không thể trực tiếp chuyển lên mức 16-QAM, 64-QAM được mà phải qua bước trung gian là 4-QAM, và đang ở mức 4-QAM cũng vậy không thể chuyển trực tiếp lên 64-QAM. Nhưng đang ở mức 16-QAM, 64-QAM nếu BER tổng quá cao có thể chuyển trực tiếp xuống BPSK. Vì có cơ chế này mà hệ thống làm việc rất hiệu quả, nguyên nhân là khi đang ở các mức BPSK, 4-QAM nếu kèm theo cơ chế chọn lọc sóng mang thì thường BER tổng = 0, nhưng không phải ở mức 16-QAM, 64-QAM thì BER tổng cũng nhỏ như vậy mà thường BER tổng sẽ không đảm bảo mức ngưỡng do đó để đảm bảo QoS thì cần phải chuyển qua mức trung gian [13].
Dưới đây là giao diện hoạt động của cơ chế thích nghi mức điều chế, mức điều chế được thiết lập ban đầu là 4-QAM.
Kết quả ảnh thu được:
Bảng 5.2 Tham số BER điều khiển chuyển mức điều chế Giá trị BER tổng Ngưỡng BER Mức điều chế Giá trị BER tổng Ngưỡng BER Mức điều chế
BER> 0.2 Không thiết lập Không phát
BER ≥ 0,1 10-2 BPSK 0.1>BER ≥ 0,01 10-3 4-QAM 4 E 1 BER 01 . 0 10-4 16-QAM BER 4 E 1 10-5 64-QAM
Ta thấy chất lượng ảnh thu được tốt hơn so với trường hợp không dùng cơ chế thích nghi một chút, các đường xước nhỏ hơn. Tuy nhiên sự cải thiện QoS này không đáng kể, vẫn xảy ra lỗi cụm. Theo quan sát giá trị BER tổng luôn luôn > 0.01 do đó nếu theo cơ chế thích nghi chọn mức điều chế thì sẽ luôn luôn không đạt mức phát 16-QAM.
Nhận thấy rằng những vị trí sóng mang con có BER lớn sẽ không được dùng để truyền dữ liệu. Trên giao diện mô phỏng thứ nhất có bốn vị trí như vậy và trên vùng hiển thị giá trị BER của từng sóng mang ta thấy có năm vị trí cho BER thấp nhất và tất nhiên theo cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang thì hệ thống đã chọn năm vị trí đó để truyền dữ liệu. Nhìn vào vùng hiển thị số lượng sóng mang truyền dữ liệu