Mức SNR Không phát BPSK 4QAM 16QAM 64QAM
Dưới l1-k Không phát Không phát Không phát Không phát Không phát l1-k đến l1 Không phát Không phát Không phát Không phát Không phát l1 đến l1+k Không phát↓ Không phát↓ Không phát↓ Không phát↓ Không phát↓
l1+k đến l2-k BPSK BPSK BPSK BPSK BPSK
l2-k đến l2 BPSK BPSK BPSK BPSK BPSK
l2 đến l2+k BPSK↓ BPSK↓ BPSK↓ BPSK↓ BPSK↓
l2+k đến l3-k 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM
l3-k đến l3 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM
l3 đến l3+k 4QAM↓ 4QAM↓ 4QAM↓ 4QAM↓ 4QAM↓
l3+k đến l4-k 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM
l4-k đến l4 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM
l4 đến l4+k 16QAM ↓ 16QAM ↓ 16QAM ↓ 16QAM ↓ 16QAM ↓
Trên l4+k 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM
Trong đó k là dải động điều khiển cơng suất, dải động càng cao thì vùng điều khiển cơng suất sẽ càng lớn, thơng thường k được thiết lập trong đoạn [0.5;1]. Các ngưỡng được ấn định như sau: l1=-, l2=8dB, l3=14dB và l 4=20dB cho sơ đồ AQAM
khơng bị chặn, trong đó số liệu được truyền thường xuyên. Tương tự đối với sơ đồ AQAM có chặn, các mức ngưỡng thích ứng là l1=5dB, l 2=8dB, l 3=14dB, l 4=20dB,
trong đó máy phát bị cấm khi cơng suất tức thời thấp hơn l 1. Ta coi rằng tại máy thu,
ước tính và bù trừ chất lượng kênh băng hẹp là hoàn hảo. Mũi tên ↓ ký hiệu cho giảm cơng suất. Hình 5.4 sẽ diễn tả trực quan cơ chế thích ứng này:
BER hệ thống được xác định theo công thức[4]. BPSKFR( ) , P γ γ = − ÷ + γ 0 5 1 1 (5.7) QAMFR P ( ) , γ γ = − ÷ + γ 4 0 5 1 2 (5.8) QAMFR( ) , , , P γ γ γ = − ÷+ − ÷ + γ + γ 16 0 5 0 5 1 0 5 1 9 10 10 9 (5.9)
QAMFR ( QAM QAM QAM )
P64 =1 P64 1+P64 2 +P64 3 3 (5.10) trong đó: QAM P , , , , γ γ = − ÷+ − ÷ + γ + γ γ γ + − ÷+ − ÷ + γ + γ 64 1 1 0 5 1 0 5 1 9 4 42 42 9 25 49 0 5 1 0 5 1 42 25 42 49 (5.11) QAM P , , , , γ γ = − ÷+ − ÷ + γ + γ γ γ + − ÷+ − ÷ + γ + γ 64 2 1 0 5 1 0 5 1 9 2 42 42 9 25 49 0 25 1 0 25 1 42 25 42 49 (5.12) QAM P , , , , , , γ γ = − + γ÷+ − + γ ÷ γ γ − − ÷− − ÷ + γ + γ γ γ + − ÷+ − ÷ + γ + γ γ − − ÷ + γ 64 3 1 1 0 75 1 9 2 42 42 9 25 49 0 75 1 0 5 1 42 25 42 49 81 121 0 5 1 0 25 1 42 81 42 121 169 0 25 1 42 169 (5.13)
Trong đó ký hiệu FR thể hiện là tín hiệu truyền qua mơi trường kênh pha đinh Rayleigh. Phương pháp thích ứng này có ưu điểm là rất đơn giản chỉ cần so sánh SNR thu với SNR ngưỡng để quyết định sơ đồ điều chế phù hợp. Tuy nhiên với phương pháp này sẽ không tận dụng được những khoảng băng tần kênh có đáp ứng tốt, vì ở những đoạn băng tần kênh này có thể cho phép mức điều chế cao hơn mức thiết lập chung. Do đó để đảm bảo cho mức điều chế tối đa có thể có cho các thành phần sóng mang ít bị ảnh hưởng bởi kênh thì ta phải xây dựng thuật tốn thích ứng dựa trên cơ chế chọn lọc sóng mang.
5.3.3 Thuật tốn thích ứng dựa trên cơ chế chọn lọc sóng mang
Chương 5: Điều chế OFDM thích ứng Đồ án tốt nghiệp Đại học
Do tính chất chọn lọc của đáp ứng kênh trong miền tần số và miền thời gian nghĩa là pha đinh chọn lọc tần số và pha đinh chọn lọc thời gian hay nói cách khác đáp ứng kênh truyền vơ tuyến không những thay đổi theo thời gian mà cịn thay đổi theo tần số. Vì vậy đối với kênh chọn lọc tần số tồn tại những khoảng băng tần kênh có độ biến động là chấp nhận được và khơng chấp nhận được, vì vậy cần phải tổ chức:
Vùng tần số của đáp ứng kênh (hàm truyền đạt) ít bị thăng giáng: Truyền dữ liệu trên các sóng mang con nằm trong khoảng băng tần có độ biến động chấp nhận được ⇒ cải thiện BPS.
Vùng tần số của đáp ứng kênh (hàm truyền đạt) bị thăng giáng mạnh: Không truyền dữ liệu trên đó hoặc truyền trên nhiều sóng mang con (phân tán lỗi) ⇒ cải thiện QoS.
Xây dựng giải thuật:
Dựa trên tính chất chọn lọc tần số của kênh ta có thể xây dựng thuật tốn thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang nhằm phát huy tối đa ưu điểm của phân tập tần số (định nghĩa phân tập):
Với giả thiết là: (1) Cùng một độ rộng băng tần được cấp phát cho kênh (cùng tốc độ bit vào); (2) Cùng trạng thái kênh (cùng một đoạn băng tần bị thăng giáng, cùng số lượng các sóng mang con bị thăng giáng ); (3) trong cùng một khoảng thời gian khảo sát, có cùng số lượng bit được truyền, cùng khoảng thời gian mô phỏng.
Nếu số lượng sóng mang (N_Sub) được dùng để truyền dữ liệu là nhỏ, thì tỉ lệ giữa các sóng mang con bị lỗi trên tồn bộ sóng mang được dùng là lớn nghĩa là tỉ lệ giữa số các bit được truyền đi bị lỗi trên toàn bộ các bit được truyền đi là lớn (BER tăng) ngoài ra cịn gây lỗi cụm (các lỗi có tính chất tập trung). Như vậy, khi N_Sub nhỏ khơng những BER lớn mà cịn tăng lỗi cụm.
Nếu ta dùng một số lượng lớn sóng mang để truyền dữ liệu thì sẽ có tác dụng giảm số lượng lỗi vì tỷ lệ sóng mang bị lỗi so với tồn bộ sóng mang sẽ rất nhỏ. Bởi vì, Nếu số lượng sóng mang (NSub) được dùng để truyền dữ liệu là lớn, thì tỉ lệ giữa các sóng mang con bị lỗi trên tồn bộ sóng mang được dùng là nhỏ nghĩa là tỉ lệ giữa số các bit được truyền đi bị lỗi trên toàn bộ các bit được truyền đi là nhỏ (BER giảm) ngồi ra cịn khơng gây lỗi cụm (các lỗi khơng có tính chất tập trung (xét trên toàn bộ tốc độ bit đầu vào ở miền thời gian điều này hưởng lợi từ quá trình biến đổi nối tiếp thành song song)). Như vậy, khi NSub lớn khơng những BER giảm mà cịn giảm lỗi lụm.
Trên đây là trường hợp chưa thực hiện thích ứng. Nếu bỏ giả thiết (3) ở trên và thực hiện cơ chế thích ứng bằng cách:
Tăng, giảm số lượng các sóng mang con theo trạng thái kênh: Một khi ta khảo sát trong khoảng thời gian đủ dài và thực hiện thích ứng số sóng mang con NSub theo trạng thái kênh trong miền tần số ⇒ cải thiện được cả hiệu năng BER và QoS. ⇒ hạn chế lỗi
Không truyền dữ liệu trên các sóng mang con bị lỗi: Tiến hành truyền dữ liệu
trên sóng mang có tỷ lệ lỗi cho phép và sẽ khơng truyền trên các sóng mang có tỷ lệ lỗi vượt quá ngưỡng cho phép. Tất nhiên nếu ta dùng cơ chế thích ứng khi dùng số ít sóng mang con sẽ khơng hiệu quả về thơng lượng vì có thể có trường hợp mà có nhiều sóng mang con bị lỗi quá ngưỡng cho phép do đó dữ liệu được truyền trên một số ít sóng mang cịn lại, điều này dẫn đến việc giảm mạnh tốc độ bit truyền dẫn. Do vậy để nâng
cao hiệu năng của cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang thì số lượng sóng mang con cần phải đủ lớn (thơng thường > 100). Vì chỉ hoạt động thích ứng trong miền tần số do đó đối với cơ chế thích ứng này sẽ giữ nguyên mức điều chế (M-QAM, M-PSK), song vẫn cải thiện được tốc độ truyền dẫn so với thuật toán chuyển mức điều chế A-QAM đơn thuần được thực hiện trong [4]. Vì vậy để ngăn chặn lỗi thì phải tiến hành chọn lọc thích ứng các sóng mang con.
Nếu chỉ dùng một sóng mang con (NSub =1) để truyền tồn bộ tốc độ bit đầu vào sẽ trở về A-QAM thơng thường.
Vấn đề chính của thuật tốn thích ứng chọn lọc sóng mang là phải xác định được BER cho từng thành phần sóng mang, sau đó so sánh với giá trị BER ngưỡng để quyết định sẽ khơng truyền dữ liệu trên thành phần sóng mang nào. Nếu giá trị BER trên sóng mang con nào thấp hơn mức ngưỡng thì phía phát sẽ tiến hành chèn ký hiệu hoa tiêu vào thành phần sóng mang đó, các ký hiệu hoa tiêu này để đơn giản ta nên thiết lập giá trị là ’0’. Phía thu sẽ vẫn tiến hành thu và tính BER trên các sóng mang được chèn hoa tiêu, nếu giá trị BER trên các sóng mang này mà thấp hơn ngưỡng cho phép thì ta lại truyền dữ liệu bình thường trên các sóng mang này. Do đó việc chèn ký hiệu hoa tiêu lên các sóng mang có tỷ lệ lỗi lớn sẽ giúp cho phía thu ước tính chính xác trạng thái kênh truyền dẫn.
Nhận xét:
Ưu điểm nổi bật của cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang là tận dụng cực đại hố những khoảng băng tần ít biến động của kênh và giảm thiểu dữ liệu truyền trên những khoảng băng tần thăng giáng lớn của kênh hay nói cách khác giảm thiểu được ảnh hưởng pha đinh chọn lọc tần số. Trong khi đó ở các thuật tốn thích ứng khác như thích ứng mức điều chế (M-QAM thích ứng, M-PSK thích ứng...) do xử lý như nhau đối với toàn bộ băng tần kênh, nên khơng thể tận dụng ưu điểm và đối phó nhược điểm trên đáp ứng kênh truyền trong miền tần số. Vì vậy, có thể nói rằng đây là giải thuật khá tối ưu để cải thiện hiệu năng BER và thơng lượng truyền.
Nhằm phát huy tối đa lợi ích của phân tập tần số ⇒ OFDM thích ứng.
Ví dụ: Đối với cơ chế thích ứng mức điều chế (A-QAM), giả sử đang ở mức điều chế
64-QAM khi SNR thu giảm đến ngưỡng chuyển sang phát 16-QAM, thì phải giảm mức điều chế xuống 16-QAM để đảm bảo chất lượng truyền dẫn BER. Nhưng nếu giảm xuống mức điều chế 16-QAM thì dữ liệu trên các thành phần tần số bị thăng giáng mạnh vẫn đảm bảo BER yêu cầu (do mức điều chế thấp), tuy nhiên ở các thành phần tần số bị thăng giáng ít thì nó đủ để truyền ở mức điều chế 64-QAM mà vẫn đảm bảo BER yêu cầu do đó sẽ lãng phí tốc độ truyền dẫn, do đó chưa tối ưu thơng lượng (tốc độ truyền). Vì vậy, có thể khẳng định cơ chế chọn lọc thích ứng sóng mang sẽ giải quyết triệt để những nhược điểm này.
Nội dung của thuật tốn chọn lọc thích ứng sóng mang được trình bầy ở mơ hình giải thuật dưới đây:
Khối tính BER: So sánh sự sai khác giữa ký hiệu phát và thu, tính số lượng lỗi. Sau đó
khối tính BER sẽ gửi kết quả tính tốn đến khối quyết định chèn.
BER ngưỡng: Do người dùng thiết lập tuỳ theo tính chất dịch vụ yêu cầu, đối với thoại
thông thường BER≤1%, trong khi đó đối với các dịch vụ số liệu thì yêu cầu
0.01%
BER ≤ .
Khối quyết định chèn: Dựa trên giá trị BER ngưỡng thiết lập cho từng dịch vụ, khối
quyết định sẽ tính chính xác giá trị BER trung bình cho từng thành phần sóng mang để đảm bảo được giá trị BER ngưỡng, giá trị BER trung bình này gọi là giá trị BER trung bình ngưỡng ( ng
tb
BER ). Đầu ra của bộ quyết định là một mảng một chiều (mảng QĐ) có kích thước bằng số lượng sóng mang. Cơng việc tiếp theo của khối quyết định là so sánh các giá trị BER của từng thành phần sóng mang do bộ tính BER đưa đến với giá trị
ng tb
BER , nếu giá trị BER của thành phần sóng mang nào > ng tb
BER thì phần tử trong mảng QĐ tương ứng với thành phần sóng mang đó sẽ được gán bằng ’1’. Nếu ngược lại sẽ được gán bằng ’0’. Giá trị ’1’ có nghĩa là khơng truyền dữ liệu trên sóng mang này, giá trị ’0’ có nghĩa là vẫn sử dụng sóng mang này. Phần lập trình cho khối tính BER, BER ngưỡng và khối quyết định được thực hiện thông qua hàm ’ dem_loi’ được viết bằng cơng cụ MatLab. Lưu đồ thuật tốn cho khối quyết định được mô tả như sau:
Khối điều khiển chèn: Khối này lấy thơng 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 này, nếu ngược lại thì sẽ tiến hành truyền dữ liệu bình thường trên sóng mang này. Khối điều khiển chèn sẽ can thiệp thứ tự của ký hiệu phát trên mỗi sóng mang để đảm bảo sao cho nếu khơng
Chương 5: Điều chế OFDM thích ứng Đồ án tốt nghiệp Đại học
sử dụng sóng mang thì sẽ chèn thêm ký hiệu ’0’, và nếu sử dụng thì khơng chèn. Q 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 cơng việc sẽ dễ dàng hơn. Sau đây là lưu đồ thuật tốn mơ tả hoạt động của khối điều khiển chèn. Phần lập trình cho khối điều khiển chèn được thực hiện thông qua hàm 'chen_song_mang (sig_in)' được viết bằng công cụ MatLab.
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 thơng 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. Do tính chất hoạt động tương tự như khối điều khiển chèn cho nên lưu đồ thuật toán cũng tương tự như khối điều khiển chèn, cho nên sẽ không được đề cập ở đây. Phần lập trình cho khối điều khiển giải chèn được thực
5.6 Kết luận
Chương này đã giải thích thế nào là điều chế thích ứng, phân tích nguyên lý thích ứng chung cho các hệ thống truyền dẫn, phân tích các bước thực hiện cho các phương pháp thích ứng. Đồng thời đề xuất các phương án thích ứng: Thích ứng theo SNR phát, thích ứng theo mức điều chế, thích ứng theo cơ chế chọn lóc sóng mang. Phân tích ưu nhược điểm và tính khả thi của từng phương án thích ứng, cuối cùng đồ án chứng minh tính hiệu quả và tính khả thi của ba phương án thích ứng: thích ứng theo mức điều chế, thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang và phương án kết hợp hai phương án thích ứng này. Chương này cũng đã đề xuất mơ hình hệ thống truyền dẫn OFDM sử dụng thuật tốn thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang, đồng thời phân tích lưu đồ thuật tốn hoạt động của các module thích ứng trong hệ thống.
Chương 5: Điều chế OFDM thích ứng Đồ án TN Đại học
Chương 6
Chương trình mơ phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng
6.1 Giới thiệu
Các chương trình mơ phỏng được viết cho các hàm đặc trưng của q trình mơ phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng. Muốn vậy, cần thuật tốn hố các hàm đặc trưng trên cơ sở đó chọn ngơn ngữ lập trình phù hợp để viết chương trình mơ phỏng. Đồ án chọn ngơn ngữ lập trình Matlab để thực hiện viết chương trình vì lý do sau: Matlab là ngơn ngữ lập trình bậc cao, ngơn ngữ kỹ thuật, ngơn ngữ chun gia có thư viện tốn cực mạnh, giao diện đồ hoạ phong phú, khả năng tương thích các ngơn ngữ khác (cho phép nhúng các chương trình khác C, C++,... vào trong Matlab), cho phép tạo giao diện người dùng tiện lợi. Đặc biệt cho phép ứng dụng kết nối điều khiển thiết bị phần cứng bằng lập trình. Matlab có ưu việt nổi trội là khả năng mô phỏng hệ thống động, cho phép thể hiện tín hiệu và hệ thống trong nhiều miền xét (miền thời gian, miền tần số, miền Z.v.v..). Có lẽ vì thế mà hầu hết các trường đại học, các viện lớn đều chọn Matlab để phục công tác đào tạo, nghiên cứu phát triển, đặc biệt thực thi hoá