9. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN
3.2. ĐẶC ĐIỂM CỦA HIỆN TƢỢNG DOPPLER
Hiện tƣợng Doppler không ảnh hƣởng nhiều tới hiện tƣợng co giãn thời gian, ví dụ với vận tốc 1 m/s gây ra độ dịch tần bằng 15 Hz nhƣng chỉ gây ra sai lệch 1 mẫu cho mỗi một ký tự OFDM. Một phƣơng pháp bù dịch tần Doppler mới bao gồm hai giai đoạn mà khơng cần phải lấy mẫu tín hiệu lại. Giai đoạn đầu là q trình xoay ngƣợc pha trƣớc khi thực hiện điều chế FFT để bù dịch tần thông thƣờng. Giai đoạn hai là quá trình bù dịch tần Doppler trƣớc khi ƣớc lƣợng kênh bằng cách sử dụng một ma trận ICI. Để tăng độ chính xác khi ƣớc lƣợng độ dịch tần, hệ thống mới sử dụng các tín hiệu dẫn đƣờng liên tục kết hợp với việc giám sát sự biến đổi theo thời gian của hàm phân bố cơng suất trễ (PDP).
3.2.1. Mơ hình tín hiệu
Phần này sẽ trình bày hai yếu tố ảnh hƣởng tới dịch tần Doppler trong miền tần số. Tín hiệu truyền đi của một ký tự OFDM có thể đƣợc viết dƣới dạng:
2 ( 0) 0 ( ) Re N j fC f t 0 n n N S t C e t T (3.1) Tổng cộng có (2N + 1) sóng mang phụ đƣợc sử dụng để truyền tải dữ liệu, fc và f0 lần lƣợt là tần số sóng mang và khoảng cách tần số giữa các sóng mang phụ. Cn biểu diễn dữ liệu trên sóng mang phụ thứ n. Giả thiết rằng có tất cả L đƣờng truyền, mỗi đƣờng truyền có độ lợi là ri và độ trễ là i. Độ dịch tần Doppler cho tất cả các đƣờng truyền đều nhƣ nhau và bằng ( ) t . Do đó, tín hiệu thơng dải thu đƣợc là:
1 0
( ) L ( (1 ( )) )
PB i i i
45 với: ( )t v t( )
c
Ở đây, v(t) là vận tốc tƣơng đối giữa máy phát và máy thu.
Trong miền thời gian, hiệu ứng Doppler gây méo các mẫu tín hiệu, hiện tƣợng này đƣợc gọi là co giãn thời gian. Một ý tƣởng đơn giản là lấy mẫu lại những tín hiệu bị méo để khắc phục hiệu ứng Doppler. Khác với các phƣơng pháp này, trong hệ thống đề xuất sử dụng phƣơng pháp khắc phục hiệu ứng Doppler trong miền tần số.
Sau khi hạ tần, chúng ta thu đƣợc:
0 1 2 (1 ( ))( ) 2 ( ) 0 ( ) L N j nf t t i j fC t t BB i n N i n R t AC e e (3.3) Trong đó: j2 fC(1 ( ))t i i i A re
Đầu tiên, tất cả các sóng mang phụ đều chịu độ dịch tần thông thƣờng (Hz). Thứ hai, mỗi sóng mang phụ chịu độ dịch tần khác nhau là (Hz), tùy thuộc vào vị trí của các sóng mang phụ. Đây đƣợc gọi là hiệu ứng dịch tần phụ thuộc vào vị trí hay cịn gọi là dịch tần Doppler không đồng nhất. Hiệu ứng dịch tần phụ thuộc vào vị trí gây ảnh hƣởng nghiêm trọng tới các quá trình điều chế bậc cao nhƣ 16-QAM hay 64-QAM. Trong trƣờng hợp mô phỏng hệ thống, khi vận tốc di chuyển tƣơng đối là 1 (m/s) sẽ gây ra độ dịch tần thông thƣờng là 16 (Hz), bằng 16% khoảng cách giữa các sóng mang phụ. Thêm vào đó, các sóng mang phụ ở phía biên tƣơng ứng với chịu độ dịch tần Doppler không đồng nhất là (Hz), tƣơng đƣơng với 2.5% khoảng cách giữa các sóng mang phụ. Sóng mang phụ trung tâm ứng với giá trị n = 0 sẽ không chịu ảnh hƣởng của kiểu dịch tần này. Do đó hiệu ứng dịch tần phụ thuộc vị trí nói trên cần phải đƣợc xem xét kỹ lƣỡng.
3.2.2. Đồng bộ thô tần số
Do điều kiện môi trƣờng rất phức tạp bao gồm độ dịch tần Doppler cao, độ trải trễ rộng, nhiễu từ môi trƣờng đa dạng, trong hệ thống đề xuất ở đây sử dụng một tín hiệu mào đầu bao gồm 3 ký tự OFDM để đồng bộ thô thời gian và tần số. Hai ký tự X1 và X2
46
đƣợc sử dụng để xác định điểm bắt đầu của mỗi khung dữ liệu. Hai cửa sổ trƣợt đƣợc sử dụng để tính độ tƣơng quan giữa X1 và X2 ở phía thu.
Hình 3.1. Cấu trúc khung dữ liệu
Tiếp đến, tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix) của ký tự X1 đƣợc sử dụng để ƣớc lƣợng thành phần phân số của độ dịch tần. Các ký tự X2 và X3 đƣợc sử dụng ƣớc lƣợng thành phần giá trị nguyên của độ dịch tần, giá trị này có thể gấp một vài lần khoảng cách giữa các sóng mang phụ. Ở đây dữ liệu đƣợc chèn vào tất cả các sóng mang phụ thay vì chỉ một số sóng mang phụ. Tóm lại ý tƣởng ở đây là thực hiện điều chế pha vi phân sử dụng hai ký tự X2 và X3 nhƣ sau:
(3.4) Ở phía máy thu, chúng ta đƣợc:
(3.5)
Sau khi bù một phần độ dịch tần, một tham số đƣợc dùng để ƣớc lƣợng phần ngun của độ dịch tần, nó đƣợc tính nhƣ sau:
(3.6)
3.2.3. Kiểm soát bù tần số bằng việc sử dụng tín hiệu dẫn đƣờng liên tục kết hợp giám sát công suất trễ giám sát cơng suất trễ
Sử dụng các tín hiệu dẫn đƣờng liên tục rất thuận tiện trong quá trình giám sát độ dịch tần theo thời gian, tuy nhiên độ dịch tần cực đại có thể đƣợc ƣớc lƣợng bằng
. Để tăng khả năng ƣớc lƣợng độ dịch tần, hệ thống đề xuất có khả năng theo dõi sự biến đổi của phổ công suất trễ PDP (Power Delay Profile) theo thời gian. Thêm vào đó, độ chính xác của quá trình ƣớc lƣợng tần số bằng việc sử dụng các tín hiệu dẫn đƣờng liên tục trở nên kém hiệu quả, bởi các tín hiệu dẫn đƣờng này bị gián đoạn nghiêm trọng bởi
47
nhiễu liên kênh ICI. Do vậy việc ƣớc lƣợng thô độ dịch tần trƣớc khi sử dụng các tín hiệu dẫn đƣờng liên tục là rất quan trọng.
Hình 3.2. Tín hiệu dẫn đƣờng liên tục
Các tín hiệu dẫn đƣờng liên tục đƣợc chèn vào cùng các dữ liệu thực đƣợc minh họa nhƣ trên Hình 3.2. Về cơ bản, sai pha giữa hai tín hiệu dẫn đƣờng cho biết độ dịch
tần, biểu thị qua các công thức sau:
(3.7)
(3.8)
Ở đây, H(m, n) là hàm truyền đạt ƣớc lƣợng của kênh cho sóng mang phụ thứ m và cho ký tự thứ n, TGI là chiều dài khoảng bảo vệ.
48
Hình 3.3. Hiện tƣợng dịch chuyển phổ cơng suất trễ gây bởi sự co giãn thời gian
Do có sự co giãn thời gian gây bởi hiện tƣợng Doppler, phổ công suất trễ PDP quan sát đƣợc sẽ bị dịch chuyển theo thời gian khi sử dụng một cửa sổ FFT cố định. Hiện tƣợng này đƣợc mô tả nhƣ trên Hình 3.3. Độ dịch chuyển của PDP theo thời gian chỉ ra sự co giãn thời gian và độ dịch tần tƣơng ứng gây bởi hiện tƣợng Doppler:
(3.9)
Ở đây, Tsb là chiều dài của ký tự OFDM bao gồm cả khoảng bảo vệ, fc là tần số sóng mang. Sau khi bù thành phần tần số bằng cách xoay ngƣợc pha, độ dịch tần còn lại đƣợc ƣớc lƣợng bằng cách sử dụng các tín hiệu dẫn đƣờng liên tục nhƣ đã trình bày trƣớc đó.
3.2.4. Bù dịch tần Doppler
Trong mục này, hai giai đoạn bù dịch tần Doppler không cần lấy mẫu lại sẽ đƣợc trình bày. Đầu tiên, hệ thống thực hiện xoay ngƣợc pha trƣớc khi thực hiện giải điều chế FFT để bù thành phần xoay pha/tần số thơng thƣờng. Sau đó tín hiệu thu đƣợc nhƣ sau: (3.10)
(3.11) Sau khi giải điều chế FFT, tín hiệu thu đƣợc ở sóng mang phụ thứ k:
49
I(k, l) biểu diễn nhiễu liên sóng mang từ sóng mang phụ thứ l tới sóng mang phụ thứ k. Cần chú ý rằng I(k, l) không chỉ phụ thuộc vào tốc độ Doppler và khoảng cách (l – k) giữa hai sóng mang phụ, mà cịn phụ thuộc vào vị trí của sóng mang thụ thứ l. Nói cách khác, các sóng mang phụ ở phần biên sẽ chịu ảnh hƣởng của nhiễu liên sóng mang ICI nhiều hơn so với các sóng mang phụ ở phần trung tâm. Do đó giai đoạn thứ hai là bù dịch tần dựa theo vị trí các sóng mang bằng cách sử dụng ma trận ICI [28]. Giả thiết rằng trên tất cả các đƣờng truyền đều có chung một độ dịch tần Doppler, điều này dẫn tới một kết quả khá thú vị là ảnh hƣởng không đồng nhất của dịch tần Doppler và fading lựa chọn tần số là phân biệt nhƣ đƣợc chỉ ra trong biểu thức ma trận bên dƣới.
(3.13)
Bởi đƣờng chéo chính của I lớn hơn nhiều các đƣờng chéo khác và giá trị tuyệt đối của các thành phần trong I(k, l) suy giảm nhanh chóng khi rời xa đƣờng chéo chính, do đó sẽ có nhiều cách khác nhau để tránh việc phải tìm ma trận nghịch đảo của I, ví dụ nhƣ phƣơng pháp lặp Jacobi.