Trong Hình 4.2, các từ mã đƣợc truyền các các ký hiệu liên tiếp nhau và đƣợc ghép xen, từ mã x2bị triệt tiêu bởi fading nếu không dùng bộ ghép xen kênh, nếu dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chỉ mất một ký tự và ta có thể khơi phục lại từ ba ký tự không bị ảnh hƣởng bởi fading [88].
4.3.2. Phân tập tần số
Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùng một lƣợng thông tin. Các tần số cần đƣợc phân chia để đảm bảo bị ảnh hƣởng của fading một cách độc lập [87]. Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông kết hợp để đảm bảo rằng fading trên các tần số khác nhau là không tƣơng quan. Kỹ thuật trải phổ
81
rất hiệu quả khi băng thông kết hợp của kênh nhỏ [89]. Tuy nhiên, khi băng thông kết hợp của kênh truyền lớn hơn băng thông trải phổ, trải trễ đa đƣờng sẽ nhỏ hơn chu kỳ tín hiệu. Trong trƣờng hợp này, trải phổ là không hiệu quả để cung cấp phân tập tần số. Phân tập tần số gây ra sự tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào sự dƣ thừa thông tin trong cùng băng tần.
4.3.3. Phân tập không gian
Để khai thác phân tập thời gian cần phải ghép xen và mã hóa qua các chu kỳ thời gian kết hợp. Khi có các ràng buộc về độ trễ, thì phân tập này có thể khơng sử dụng đƣợc. Lúc này có thể sử dụng một loại phân tập khác gọi là phân tập anten hay phân tập khơng gian [86-88]. Phân tập khơng gian có thể thu đƣợc bằng cách đặt nhiều anten tại đầu phát hoặc đầu thu. Nếu các anten đặt với khoảng cách đủ xa, độ lợi kênh giữa các anten độc lập nhau. Khoảng cách giữa các anten phụ thuộc vào môi trƣờng tán xạ cũng nhƣ tần số sóng mang [88].
Những loại phân tập khơng gian phổ biến hiện nay:
SIMO MISO MIMO
Hình 4.3. Các loại phân tập khơng gian
-Phân tập SIMO sử dụng một anten phát và nhiều anten thu. Tín hiệu thu đƣợc có thể thay đổi lớn qua một vài chiều dài bƣớc sóng trong mơi trƣờng nhiều tín hiệu đa đƣờng. Xác suất lỗi bit (Pe) của QPSK trong các kênh fading Rayleigh là xấu. Nếu bộ thu thu đƣợc vài kênh fading độc lập, mỗi sóng mang cùng tín hiệu, nó có thể kết hợp thơng tin mỗi đƣờng dẫn để giảm Pe tại máy thu. Ngoài ra, các kỹ thuật phân tập thu có độ phức tạp thấp hơn nhƣ phân tập chuyển mạch tức là lựa chọn thay đổi anten nếu cƣờng độ tín hiệu anten thu hiện tại bị rơi xuống dƣới một ngƣỡng xác định.
82
-Phân tập MISO sử dụng nhiều anten phát và một anten thu. Phân tập thu khó để thực hiện tại máy thu di động do thiếu khơng gian, cơng suất, chi phí tăng và phụ thuộc vào loại hình dạng. Phân tập phát có yêu cầu phần cứng và độ phức tạp xử lý tín hiệu đáng kể đối với hệ thống.
- Phân tập MIMO sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để tăng tốc độ truyền dẫn và cải thiện chất lƣợng của tín hiệu.
4.4. Dung lƣợng hệ thống MIMO
Hệ thống MIMO kết hợp sử dụng đa anten ở cả phía phát và phía thu [86,87]. Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ đa anten phát, phân tập thu nhờ đa anten thu nhằm tăng chất lƣợng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu. Dung lƣợng hệ thống này còn đƣợc cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ thuật mã hóa khơng gian – thời gian VBLAST. Khi thông tin kênh truyền đƣợc biết tại cả nơi phát và nơi thu, hệ thống có thể cung cấp độ lợi phân cực cao và độ lợi ghép kênh cực đại, dung lƣợng hệ thống trong trƣờng hợp phân tập cực đại có thể đƣợc xác định theo công thức:
2
log (1 T. R. )
C N N SNR (4.4) Dung lƣợng hệ thống trong trƣờng hợp đạt độ lợi ghép kênh cực đại có thể xác định theo cơng thức sau:
2
min( T, R).log (1 )
C N N SNR (4.5)
Ƣu điểm hệ thống MIMO
Tăng độ lợi mảng: làm tăng tỉ số tính hiệu trên nhiễu, từ đó làm tăng khoảng cách truyền dẫn mà không cần tăng công suất phát.
Tăng độ lợi phân tập: làm giảm hiệu ứng fading thông qua việc sử dụng hệ thống anten phân tập, nâng cao chất lƣợng hệ thống.
Tăng hiệu quả phổ: Bằng cách sử dụng ghép kênh không gian, thời gian. Tăng dung lƣợng kênh mà không cần tăng công suất phát và băng thông.
Nhƣợc điểm hệ thống MIMO
Tăng độ phức tạp trong xử lý tín hiệu phát và thu.
83
Nhiễu đồng kênh: do sử dụng nhiều anten truyền dữ liệu cùng với một băng tần.
4.5. Đề xuất phƣơng pháp phân tập không gian thời gian cho truyền thông dƣới
nƣớc chỉ sử dụng một cặp anten thu phát (SISO)
4.5. . Đặt vấn đề
Hệ thống nhiều anten thu phát đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống vô tuyến nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông hay tăng tốc độ truyền và chất lƣợng tín hiệu thu. Việc sử dụng nhiều anten thu phát có đƣợc nhờ vào đặc tính phân tập về khơng gian và thời gian của tín hiệu sóng vơ tuyến. Kỹ thuật phân tập khơng gian đƣợc hiểu nhƣ là sự thay đổi vị trí giữa các cặp anten thu phát nhờ đó làm thay đổi trạng thái kênh truyền [87-88]. Kỹ thuật phân tập thời gian thì dựa trên đặc tính phụ thuộc thời gian của kênh vơ tuyến nên một tín hiệu có thể đƣợc truyền đi ở nhiều thời điểm khác nhau. Kết hợp với việc phân tập khơng gian thời gian cho tín hiệu thì có rất nhiều kỹ thuật mã hóa đã đƣợc áp dụng nhƣ STBC, SFBC, Alamouiti…
Trong mơi trƣờng truyền thơng dƣới nƣớc, băng thơng tín hiệu rất hạn hẹp chỉ có vài chục Khz thêm vào đó tốc độ truyền lan của sóng âm là rất thấp nếu so sánh với tốc độ truyền lan của sóng điện từ nên mọi sự chuyển động tƣơng đối giữa bên phát và bên thu sẽ gây ra sự dịch tần Doppler rất lớn với tín hiệu thu [26-29]. Vì vậy trong các hệ thống truyền thơng dƣới nƣớc để nâng cao chất lƣợng tín hiệu cũng nhƣ hiệu quả sử dụng băng thơng thì việc sử dụng nhiều transducer thu phát để truyền thông tin dƣới nƣớc cũng nhằm tận dụng các ƣu điểm của sự phân tập không gian và thời gian của tín hiệu là rất cần thiết. Tuy nhiên trong nhiều trƣờng hợp với hệ thống có quá nhiều transducer sẽ trở nên cồng kềnh tiêu tốn nhiều năng lƣợng và cản trở sự chuyển động của thiết bị. Trong nội dung chính của chƣơng 4, đề xuất áp dụng kỹ thuật phân tập không gian - thời gian cho hệ thống truyền thông dƣới nƣớc nhƣng chỉ sử dụng một cặp transducer thu phát. Kỹ thuật đề xuất đặc biệt hiệu quả đối với trƣờng hợp có sự dịch tần Doppler của tín hiệu thu đƣợc nghĩa là có sự chuyển động tƣơng đối giữa bên phát và bên thu.
Phƣơng pháp đề xuất truyền tín hiệu thủy âm từ một cặp transducer thu phát, tín hiệu truyền đi đƣợc lặp lại nhiều lần tùy thuộc vào chất lƣợng kênh truyền. Các tín hiệu đƣợc truyền đi lặp lại ở các thời điểm khác nhau nên tạo ra sự phân tập về thời gian [86-88]. Do có sự chuyển động tƣơng đối giữa bên phát và thu nên cùng một tín hiệu truyền đi sẽ
84
đƣợc thực hiện ở hai vị trí khác nhau điều này tạo nên tính phân tập trong khơng gian tín hiệu.
Hình 4.4. Mỗi khung tín hiệu được phát lặp N lần
4.5.2. Giải mã N tín hiệu phân tập khơng gian thời gian a. Kỹ thuật MRC giải mã tín hiệu thu phân tập a. Kỹ thuật MRC giải mã tín hiệu thu phân tập
Kỹ thuật MRC (Maximal Ratio Combining) đƣợc sử dụng cho trƣờng hợp hệ thống có một anten phát và nhiều anten thu nhƣ hình dƣới đây:
Hình 4.5: Hệ thống anten phát nhiều anten thu (SIMO)
Trong đó X là tín hiệu phát, H là kênh truyền và Y là tín hiệu thu từ N anten.
Y H X. N0 (4.6) Kỹ thuật giải mã tín hiệu theo phƣơng pháp MRC áp dụng cho hệ thống một anten phát nhiều thu đƣợc thực hiện nhƣ sau:
H H H Y X H H (4.7)
với: HHlà chuyển vị và liên hợp phức của H
Kỹ thuật nhiều Transducer thu một phát dựa trên đặc tính phân tập khơng gian của tín hiệu thu đƣợc độ chính xác của tín hiệu thu đƣợc tăng lên khi số lƣợng transducer thu
85
tăng. Tuy nhiên số lƣợng transducer thu không thể tăng q lớn vì khi đó hệ thống sẽ trở nên phức tạp.
b. Đề xuất phƣơng pháp giải mã tối ƣu cho N tín hiệu thu có phân tập khơng gian- thời gian
Đối với tín hiệu thủy âm, tín hiệu nhận đƣợc là N khung. Khi đó việc sử dụng N khung để giải mã tín hiệu theo phƣơng pháp MRC khơng phải là lựa chọn tối ƣu bởi vì thực tế có sự khác biệt lớn về chất lƣợng tín hiệu giữa các khung truyền. Vì vậy nếu áp dụng kỹ thuật MRC cho N khung thì chƣa phải là giải pháp tối ƣu nhất. Còn nếu áp dụng phƣơng pháp giải mã tối ƣu, nghĩa là kết hợp tất cả các trƣờng có có thể xảy ra với N khung thì sẽ có tất cả Q khả năng: N i i N C Q (4.8)
Với giá trị N lớn (ví dụ với N=5 thì sẽ có 55 khả năng). Điều này sẽ khơng phù hợp với một ứng dụng truyền thông tin thời gian thực hoặc sẽ ảnh hƣởng tới tốc độ truyền tin. Để lựa chọn phƣơng án tốt nhất, luận án đề xuất thuật tốn giải mã tối ƣu tín hiệu của N khung tín hiệu OFDM nhận đƣợc. Thuật tốn giải mã đƣợc mơ tả nhƣ lƣu đồ dƣới đây:
86
Sai Đúng
Sai Đúng
Hình 4.6. Lưu đồ thuật tốn giải mã N khung tín hiệu
Để áp dụng sơ đồ thuật toán trong Hình 4.6, cần ƣớc lƣợng tỷ lệ lỗi ký tự khi giải mã tín hiệu thu. Để ƣớc lƣợng tỷ lệ lỗi ký tự SER ta phải sử dụng thuật tốn ƣớc lƣợng kích thƣớc các ngơi sao trong chịm sao tín hiệu M-QAM bằng cách tính kích thƣớc vịng trịn có bán kính r (vòng trong màu đỏ trong hình 4.7) xung quanh mỗi điểm tín hiệu
chuẩn trong chịm sao M-QAM. Với giá trị r càng nhỏ thì tỷ lệ lỗi tín hiệu SER sẽ càng bé.
87
Hình 4.7. Độ hội tụ các điểm tín hiệu của chịm sao M-QAM
Thuật toán sử dụng để tính tốn kích thƣớc trung bình các ngơi sao trong chịm sao tín hiệu X thu đƣợc từ q trình giải mã các khung tín hiệu OFDM cơng thức (4.8) đƣợc thực hiện nhƣ sau:
B1: Giải điều chế tín hiệu X thu đƣợc Xr B2: Tái điều chế tín hiệu Xr đƣợc tín hiệu Xq B3: Tính khoảng cách giữa hai tín hiệu X và Xq:
d mean X Xq (4.9) Khoảng cách trung bình này càng nhỏ nghĩa là vòng tròn có bán kích r trên Hình 4.7
càng nhỏ thì tỷ lệ lỗi SER của tín hiệu càng thấp.
Trong sơ đồ thuật tốn Hình 4.6 có thể đƣợc chia thành hai bƣớc:
+ Bƣớc : Khi nhận đƣợc N khung dữ liệu, trƣớc tiên hệ thống sẽ ƣớc lƣợng tỷ lệ SER
của tất cả các khung tín hiệu dựa trên thuật tốn ƣớc lƣợng SER ở trên. Tiếp đó sẽ sắp xếp lại thứ tự các khung theo trình tự SER của các khung từ bé đến lớn. Đặt giá trị
SER_min bằng SER của khung đầu tiên.
+ Bƣớc 2: Kết hợp nhiều khung để giải mã theo phƣơng pháp MRC. Gọi Ci là tập hợp
các khung từ 1 đến i, trƣớc tiên cho i=2, nhƣ vậy tập đầu tiên C2 sẽ gồm hai khung số 1 và 2, giải mã MRC đƣợc áp dụng cho khung i khung liên tiếp. Tỷ lệ lỗi SER_Ci sẽ đƣợc tính lại cho i khung. Nếu tỷ lệ lỗi này thấp hơn tỷ lệ lỗi của lần tính trƣớc đó thì tiếp tục tăng i=i+1 cho khung tiếp theo. Còn nếu tỷ lệ SER lớn hơn so với SER_min thì quá trình sẽ dừng lại.
88
4.5.3. Thực nghiệm, mô phỏng hệ thống và kết quả:
Luận án sẽ thực hiện bằng 2 cách mô phỏng và thực nghiệm.
Trƣớc tiên là thực hiện mô phỏng trong trƣờng hợp điều chế 16-QAM. Tín hiệu nhận đƣợc là 10 khung (N=10). Các khung này có giá trị SNR giảm dần so với tín hiệu SNR của khung đầu tiên SNR_max=5 (dB) theo bảng sau:
Bảng 5. SNR của các khung truyền dữ liệu
Khung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
SNR 1 1.4142 2.2361 3.1623 3.8730 4.4721 5 5.4772 5.9161 6.3246
Hình 4.8. Kết hợp các khung giải mã MRC theo thứ tự SNR giảm dần
Từ Hình 4.8 ta nhận xét là việc sử dụng 3 khung tốt nhất trong số 10 khung tín hiệu nhận đƣợc là có hiệu quả. Việc sử dụng thêm các khung có chất lƣợng tín hiệu kém khơng làm tăng hiệu quả giải mã tín hiệu theo phƣơng pháp MRC. Tuy nhiên đây chỉ là kết quả mô phỏng với giá trị SNR ở trong Bảng 5.
89
Trong Hình 4.9 trục SNR là giá trị SNR nhỏ nhất các khung cịn lại có giá trị SNR tăng dần với bƣớc tăng 2dB. Kết quả cho thấy việc sử dụng kỹ thuật MRC để kết hợp giải mã N khung tín hiệu là khơng hiệu quả. Phƣơng pháp đề xuất có hiệu quả xấp xỉ với phƣơng pháp tối ƣu. Tuy nhiên phƣơng pháp tối ƣu với N khung sẽ phải thực hiện N
i i N
C
Q sự
kết hợp (ví dụ với N=10 thì sẽ có 1023 khả năng xảy ra) cịn theo phƣơng pháp đề xuất thì chỉ cần thực hiện 2N-1 khả năng.
Hình 4.10. Mơ hình thực nghiệm tại Hồ Tiền
Sau đó, kết quả đƣợc xử lý bằng phần mềm do Phịng thí nghiệm Truyền thơng không dây (WICOM) của Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội phát triển. Các thông số của hệ thống OFDM đƣợc thể hiện trong Bảng 6. Các tín hiệu đƣợc điều chế bởi QPSK, với NFFT = 2048, độ dài khoảng bảo vệ là 1024, băng thông của hệ thống là từ 20 kHz
đến 28 kHz. Tín hiệu đƣợc truyền các khung liên tiếp cách nhau khoảng 0,15s. Mỗi khung bao gồm các ký hiệu OFDM (Ns). Trong thực nghiệm, phạm vi thay đổi tốc độ tối đa từ −3,5m / s đến + 3,5m / s. Dấu trừ của tốc độ có nghĩa là máy phát di chuyển xa máy thu và dấu cộng là theo hƣớng đối lập. Ở tốc độ tối đa ± 3,5m / s, độ dịch tần của Doppler là khoảng -56Hz đến + 56Hz so với CFP ở 24 kHz, độ dịch tần này lớn hơn độ rộng của sóng mang phụ của tín hiệu OFDM là 46,865Hz. Trong Hình 4.11, tín hiệu thực tại máy thu trong miền thời gian và tần số thu đƣợc từ thực nghiệm trong trƣờng hợp máy phát di chuyển ra xa máy thu và quay trở lại.
90 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 15 17 19 22 23 13 14 16 18 20 21 Hình 4.11: Hệ thống OFDM thử nghiệm
Giải thích chức năng các khối trong hệ thống:
(1): Nguồn dữ liệu cần phát Data input đƣợc gửi đến bộ biến đổi nối tiếp ra song song (S/P)
(2): Khối điều chế M-QAM (3): Tín hiệu Pilot và CFP
(4): Sắp xếp dữ liệu và Pilot lên các sóng mang của hệ thống OFDM. (5): Khối để chèn không và sắp xếp đặc biệt
(6): Biến đổi IFFT
(7): Chèn khoảng bảo vệ cho tín hiệu OFDM. (8): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S) (9): Bộ biến đổi DAC
Transducer phát.
91 (10): Bộ biến đổi ADC
(11): Bộ lọc thơng dải BPF
(12): Khối tính tốn độ lệch tần Doppler
(13): Lấy mẫu lại tần số
(14): Phát hiện điểm bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM. (15): Khối biến đổi FFT
(16): Loại bỏ khoảng bảo vệ GI của mỗi tín hiệu OFDM (17): Khối ƣớc lƣợng kênh
(18): Thực hiện việc khử nhiễu ICI trong miền thời gian của mỗi tín hiệu OFDM
(19): Tính độ lệch thời gian lấy mẫu của tín hiệu OFDM cần điều chỉnh. (20): Biến đổi Fourier thuận cho mỗi tín hiệu OFDM.
(21): Tách các Pilot và ƣớc lƣợng kênh truyền.
(22): Ƣớc lƣợng giá trị dữ liệu truyền đi (23): Giải điều chế M-QAM
Tham số truyền của hệ thống OFDM đƣợc trình bày trong bảng dƣới đây: