3.1. Giới thiệu
Để đối phó với những bất lợi của kênh vô tuyến di động, các hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM sử dụng hai phương pháp cần bằng và ước lượng kênh.
Ước lượng kênh truyền trong hệ thống có dây thì không phức tạp, kênh truyền được ước lượng ngay tại thời điểm bắt đầu và kể từ thời gian đó kênh truyền là như nhau, do vậy không cần phải liên tục ước lượng kênh truyền. Tuy nhiên trong khuôn khổ của luận văn này chỉ đề cập ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM vô tuyến.
Có hai vấn đề chính trong việc thiết kế bộ ước lượng kênh truyền cho hệ thống vô tuyến, vấn đề thứ nhất liên quan đến việc chọn lựa pilot thông tin sẽ được truyền như thế nào. Ký tự pilot cùng với ký tự dữ liệu có thể được truyền trong một số cách khác nhau và mỗi cách sẽ cho một hiệu quả khác nhau, vấn đề thứ hai là việc thiết kế bộ lọc nội suy với hai yêu cầu kèm theo là phải có độ phức tạp thấp và hiệu suất tốt. Hai vấn đề này có mối liên hệ với nhau, do vậy hiệu suất của bộ nội suy phụ thuộc vào việc Pilot thông tin được truyền đi như thế nào.
3.1.1. Khái niệm về Cân bằng
Trong OFDM, mặc dù có thể loại bỏ được nhiễu ISI (do khoảng bảo vệ dài hơn độ trải trễ của kênh truyền đa đường) song chưa triệt để, vẫn còn tồn tại một vài nhiễu liên ký tự gây ra bởi sự chọn lọc tần số của kênh.
Đe bù vào sự méo dạng này, OFDM dùng bộ cân bằng kênh truyền one- tap (one-tap channel equalizer). Tại ngừ ra của bộ chuyển đổi FFT ở phớa thu, những mẫu được lấy tại mỗi sóng mang con được nhân cho hệ số của bộ cân bằng kênh truyền tương ứng. Hệ số của bộ cân bằng được tính toán dựa trên tiêu chuẩn zero- forcing (ZF) hay tiêu chuẩn cực tiểu trung bình bình phương lỗi (Minimum mean square error - MMSE). Tiêu chuẩn ZF tác động lên nhiễu liên ký tự bắt buộc chúng phải bằng không tại thời điểm lấy mẫu của mỗi sóng mang. Hệ số của một bộ cân bằng one-tap ZF được tính như sau:
Trong đó Hn là đáp ứng tần số kênh truyền trong khoảng băng thông của sóng mang con thứ n.
Tuy nhiên, hạn chế của ZF là nó chỉ cải tiến nhiễu tại sóng mang con thứ n nếu như Hn nhỏ, điều này tương ứng với phổ null (spectral nulls).
3.1.2. Khái niệm về ước lượng kênh
Ước lượng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation).
Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường (PSAM-Pilot signal assisted Modulation). Trong phương pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín hiệu đã được bên thu biết trước về pha và biên độ. Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu pilot nguyên thủy sẽ cho biết ảnh hưởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát.
Ước lượng kênh có thể được phân tích trong miền thời gian và trong miền tần số. Trong miền thời gian thì các đáp ứng xung h(n) của các kênh con được ước lượng. Trong miền tần số thì các đáp ứng tần số H(k) của các kênh con được ước lượng. Có hai vấn đề chính được quan tâm khi sử dụng PSAM:
• Vấn đề thứ nhất là lựa chọn tín hiệu pilot: phải đảm bảo yêu cầu chống nhiễu, hạn chế tổn hao về năng lượng và băng thông khi sử dụng tín hiệu này. Với hệ thống OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot có thể được thực hiện trên giản đồ thời gian-tần số, vì vậy OFDM cho khả năng lựa chọn cao hơn so với hệ thống đơn sóng mang. Việc lựa chọn tín hiệu pilot ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu hệ thống.
• Vấn đề thứ hai là việc thiết kế bộ ước lượng kênh : phải giảm được độ phức tạp của thiết bị trong khi vẫn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu. Yêu cầu về tốc độ thông tin cao (tức là thời gian xử lý giảm) và các chỉ tiêu hệ thống là hai yêu cầu ngược nhau. Chẳng hạn, bộ ước lượng kênh tuyến tính tối ưu (theo nguyên lý bình phương lỗi nhỏ nhất-MMSE) là bộ lọc Wiener hai chiều (2D-
Wiener filter) có chỉ tiêu kỹ thuật rất cao nhưng cũng rất phức tạp. Vì vậy, khi thiết kế cần phải dung hòa hai yêu cầu trên
3.2. Ước lượng kênh truyền
Nguồn tín hiệu là một luồng bit được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chế như QPSK, Mary-QAM. Tín hiệu dẫn đường (Pilot symbols) được chèn vào nguồn tín hiệu, sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ. Luồng tín hiệu số được chuyển thành luồng tín hiệu tương tự qua bộ chuyển đổi số/tương tự trước khi truyền trên kênh truyền vô tuyến qua anten phát.
Tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến bị ảnh hưởng bởi nhiễu fading và nhiễu trắng AWGN. Tín hiệu dẫn đường pilot là mẫu tín hiệu được biết trước cả ở phía phát và phía thu, và được phát cùng với nguồn tín hiệu có ích với nhiều mục đích khác nhau như việc khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống.
Máy thu thực hiện các chức năng ngược lại như đã thực hiện ở máy phát.
Tuy nhiên để khôi phục được tín hiệu phát thì hàm truyền của kênh vô tuyến cũng phải được khôi phục. Việc thực hiện khôi phục hàm truyền kênh vô tuyến được thực hiện thông qua pilot nhận được ở phía thu. Tín hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia làm hai luồng tín hiệu. Luồng tín hiệu thứ nhất là tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh.
Luồng tín hiệu thứ hai là pilot được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền. Kênh truyền sau khi được khôi phục cũng sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu.
Ước lượng kênh truyền được thực hiện theo 3 bước. Bước đầu tiên được thực hiện trên kí tự OFDM chứa kí hiệu pilot, bước thứ hai sẽ thực hiên trên kí tự OFDM không chứa kí hiệu pilot và cuối cùng là nội suy trong miền thời gian.
m o •
o ơ Q o ữ
O G O' o o o o o o
ôô
o ũ Q o o o ệ o o o ệ ệ o
o Q c o o o a ọ o o o ọ Q Q
o •• Q o o Q <_ Q o ừ a o o o o Q o o o o Q a Q Q Q Q o o o tỉ ứ (Ị o ệ Q o o Q
Ũ ôo ô Q o o Đ ệ o a o o o o o o o Q
O Q ệ ừ ệ t ‘Û ừ Û ệ ệ ừo *
ệ o o ể o o o o o o o o o o o oôi Q :o o o o o o o o o o Q' o o o O o a
• ớ • ô
Hình 3.1. Kí hiệu OFDM với pilot và OFDM không có pilot
Bước đầu tiên là ước lượng hệ số kênh truyền trong miền tần số tại vị trí của kí hiệu dẫn đường, đùng kết quả đó nội suy toàn bộ hệ số kênh truyền trong miền tần số ở vị trí của kí hiệu dữ liệu, cuối cùng là nội suy thời gian. Trước hết ta xem xét những định nghĩa cơ bản được đưa ra cho N sóng mang con trong một kí hiệu OFDM
d(0) ... 0
Sóiig mang con Ki hiện, pilot Ki hiệu data
Thời gian
0 ... d(N-1)
h(N-1)
3.2.1. Điều chế ký tự pilotthêm vào (Pilot Symbol Assisted Modulation) D =
H =
K0) K1)
Ước lượng kênh truyền thông thường cần một số loại pilot thông tin như một điểm tham khảo. Ước lượng kênh truyền thường đạt được bằng cách ghép những kỷ tự đã biết, được gọi là ký tự pilot vào trong chuỗi dữ liệu, và kỹ thuật này được gọi là điều chế thêm vào ký tự pilot (Pilot Symbol Assỉsted Modulation - PSAM).
Phương pháp này tiến hành chèn những phần đã biết vào luồng ký tựthông tin có ích với mục đích thăm dò kênh truyền. Những ký tự pilot này cho phép bộ thu rút ra được suy hao của kênh truyền và độ xoay pha để ước lượng cho mỗi ký tự thu được, giúp cho việc bù fading đường bao và pha. Một kênh truyền fading yêu cầu việc bám (ừackỉng) kênh truyền không ngừng, vì vậy mà pilot thông tin ít nhiều gì cũng phải được truyền liên tục. Pilot thông tin được truyền có thể ở dạng pilot rời rạc hoặc phân tán hoặc cả hai. Nhìn chung thì kênh truyền fading có thể được xem như là một tín hiệu 2-D (thời gian và tần số), kênh truyền fading này được lấy mẫu tại những vị trí có pilot và suy hao kênh truyền ở những vị trí nằm giữa những pilot này
được ước lượng bằng nộỉ suy
ằ Time (OFDM Symbols)
Hình 3.2. Ví dụ về việc truyền Pilot liên tục và phân tán ở những vị trí sóng mang biết trước
o o V J o C o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o
Data
S/rtoi Wot
S|OttW
3,2.2, Sự sắp xếp các Pilot
Việc sử dụng những kỷ tự pilot để ước lượng kênh truyền như đã giới thiệu ở trên và trong khi sử dụng thì điều mong muốn là phải đạt được số ký tợ pilot càng ít càng tốt. vấn đề phải quyết là phải chèn pilot ở đâu và chèn như thế nào. Khoảng cách giữa các pilot phải đủ nhỏ sao cho quá trình ước lượng kênh truyền đạt được độ tin cậy.
Việc ước lượng kênh truyền có thể được thực hiện bằng cách hoặc là chèn pilot vào tất cả các sóng mang của kỷ tự OFDM theo chu kỳ ở miền thời gian hoặc là chèn pilot vào mỗi sóng mang của ký tự OFDM ở miền tần số hoặc chèn pilot ở cả miền tần số và miền thời gian
3.2.2. ĩ. sắp xếp Pilot ở dạng khối
Dạng thứ nhất được gọi là ước lượng kênh truyền theo pilot dạng khối và thường được sử dụng đối với kênh truyền fading chậm, cách sắp xếp pilot này cho kết quả tốt khi hàm truyền của kênh truyền không có sự thay đổi quá nhanh. Nếu đáp ứng của kênh truyền biến đổi nhanh thì việc ước lượng kênh truyền sẽ không còn đúng nữa và sẽ dẫn đến giải mã sai chuỗi bit nhận được. Khi đó người ta sẽ dùng một bộ cân bằng hồi tiếp quyết định để cập nhập lại các giá trị ước lượng cho mỗi sóng mang con mang dữ liệu ở giữa các kỷ tự pilot dạng khối
Hình 3.3. Kiểu chèn Pilot dạng khối
Dạng thứ hai là cách sắp xếp pilot dạng lược, dạng này có thể được sử dụng để bám kênh truyền biến đổi nhanh, thậm chỉ trong trường hop sự biến đỗi này xảy ra bên trong một chu kỳ thời gian của một ký tự OFDM đơn. Những ký tự pilot được sắp xếp tuần hoàn tại một vài vị trí sóng mang trong mễỉ ký tự OFDM nên phía thu sẽ liên tục có được thông tin về trạng thái kênh truyền.
Block-type pilot arrangement
Hình 3.4. Kiểu chèn Pilot dạng lược
Tuy nhiên những thông tin về trạng thái kênh truyền có được từ những pilot này vẫn chưa hoàn chỉnh. Việc ước lượng kênh truyền tại vị trí các sóng mang pilot có thể được tính toán bằng kỹ thuật LS hoặc MMSE, trong khỉ đó kênh truyền tại vị trí các sóng mang con mang dữ liệu được ước lượng bằng cách thực hiện nội suy từ đáp ứng giữa những sóng mang pỉlot. Nhiều kỹ thuật nội suy có thể được sử dụng bao gồm nội suy tuyến tính, nội suy bằng đa thức, nội suy spline, và nhiều kỹ thuật khác với độ chính xác và hiệu quả khác nhau. Hình ảnh sắp xếp của pilot dạng khối và dạng lược được minh họa như hình (3.3), (3.4)
3.2.2.2. Nguyên tắc chèn piỉot ở miền tần số và miền thời gian Micn thời gian
© Mầu tin dần dirỏng o
Mầu tin cỏ ích
Hình 3.5. Sự sắp xếp pilot và mẫu tin có ích ở miền tần số và miền thời gian Comb-typB pilot arranigennent
@00 moo 0
Hình 3.6. Mối liên hệ giữa hiệu ứng Doppler và trễ kênh truyền trong sự lựa chọn sự sắp xếp các pilot (ở hình trên : CIR là đáp ứng xung của kênh truyền -
Channel Impulse Response).
Pilot có thể chèn cùng với mẫu tin có ích cả ở miền tần số và miền thời gian như trình bày ở hình 3.3 và hình 3.4.
Tuy nhiên khoảng cách giữa hai pilot
liên tiếp nhau phải tuân theo qui luật lấy mẫu cả ở miền tần số và miền thời gian. Ở miền tần số, sự biến đổi của kênh vô tuyến phụ thuộc vào thời gian trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh Tmax (maximum propagation delay). Với ký hiệu rf là tỷ số lấy mẫu (oversampling rate) ở miền tần số, fs là khoảng cách liên tiếp giữa hai sóng mang phụ, khoảng cách giữa hai pilot ở miền tần số Df phải thỏa mãn điều kiện sau đây:
r, —
ĩ-'*'*** (3.1)
Tỷ số lấy mẫu tối thiểu ở miền tần số rf phải là 1. Tỷ số này có thể lớn hơn 1, khi đó số pilot nhiều hơn cần thiết và kênh truyền được lấy mẫu vượt mức (oversampling). Trong trường hợp khoảng cách giữa hai pilot không thỏa mãn điều kiện lấy mẫu như ở phương trình (3.1), có nghĩa là rf <1 thì kênh truyền không thể được khôi phục lại được hoàn toàn thông qua pilot
Tương tự như ở miền tần số, khoảng cách ở miền thời gian của hai pilot liên tiếp Dt
cũng phải thừa món tiờu chuẩn lấy mẫu ở miền thời gian. Sự biến đổi
> 1
của hàm truyền vô tuyến ở miền thời gian phụ thuộc vào tần số Doppler fD nax . Theo tiêu chuẩn lấy mẫu ở miền tần số, khoảng cách Dt phải thỏa mãn điều kiện:
Tỷ số rt được gọi là tỷ số lấy mẫu ở miền thời gian. Trong trường họp điều kiện ở phương trỡnh (3.2) khụng thừa món thỡ hàm truyền kờnh vụ tuyến cũng khụng thể khôi phục hoàn toàn được ở máy thu.
3.3. Các phương pháp ước lượng
3.3.1. ước lượng theo kiểu sắp xếp pilot dạng khối
Kiểu sắp xếp pilot dạng khối giúp cho việc tính đáp ứng kênh truyền không phức tạp bởi vỡ X(k) tại mọi súng mang con đều đó được biết. Ngừ ra của bộ thu cú thể được viết ở dạng ma trận như sau: