CHƯƠNG 4 CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRONG HỆ THỐNG OFDM
4.5 Một số kỹ thuật ước lượng kênh cải tiến
Xét một tín hiệu được xếp chồng (superimposed signal), đây là một tín hiệu (hoa tiêu) huấn luyện có công suất thấp cộng với tín hiệu dữ liệu ở bộ truyền. Sau đó, tín hiệu được xếp chồng này được sử dụng ở bộ nhận để ước lượng kênh mà không làm tổn hao tốc độ dữ liệu. Tuy nhiên, theo phương pháp này, một phần công suất được cấp phát cho tín hiệu huấn luyện bị lãng phí. Hình 4.8 minh hoạ tín hiệu được xếp chồng bao gồm một tín hiệu hoa tiêu với công suất ρ.P và một tín hiệu dữ liệu có công suất(1−ρ).P, giả thiết rằng công suất tín hiệu tổng cộng bằng P.
Hình 4.8: Tín hiệu được xếp chồng để ước lượng kênh.
Đối với ký hiệu OFDM được truyền thứ l tại sóng mang con thứ k, tín hiệu được xếp chồng có thể được biểu diễn dưới dạng S [ ]l k +P kl[ ] trong đó S [ ]l k và P kl[ ] tương ứng biểu thị các tín hiệu dữ liệu và tín hiệu hoa tiêu. Tín hiệu nhận được tương ứng có thể được biểu diễn dưới dạng:
[ ] [ ] [ ] [ ]
[ ]( [ ] [ ]) [ ]
l l l l
l l l l
Y k H k X k Z k
H k S k P k Z k
= +
= + + (4.21)
Trong đó Y kl[ ] và Z kl[ ] lần lượt biểu thị tín hiệu nhận được và tạp âm tại sóng mang con thứ k trong chu kỳ ký hiệu thứ l, và H kl[ ] là đáp ứng tần số kênh tương ứng. Ở đây, thời gian phù hợp hoặc dải thông phù hợp của kênh được giả thiết là M trên đó đáp ứng kênh gần như không đổi theo trục thời gian hoặc tần số. Ngoài ra, các
55
tín hiệu hoa tiêu được thiết lập là hằng số trong khoảng thời gian hoặc tần số có độ dài M sao cho:
ởmiền thời gian: 1 1
1 1
[ ] [ ] [ ]
[ ] [ ] [ ]
l l l M
l l l M
H k H k H k H
P k P k P k P
+ + −
+ + −
≈ ≈ ≈ =
≈ ≈ ≈ =
L
L (4.22)
hoặc, ở miền tần số: [ ] [ 1] [ 1]
[ ] [ 1] [ 1] .
≈ + ≈ ≈ + − =
≈ + ≈ ≈ + − =
L L
l l l
l l l
H k H k H k M H
P k P k P k M P (4.23)
Theo giả thiết rằng tín hiệu dữ liệu S kl[ ] và tạp âm Z kl[ ] là các quy trình phân bố giống nhau và độc lập trung bình không (i.i.d.), tín hiệu nhận được trung bình trong một khoảng thời gian hoặc tần số có độ dài M được cho dưới dạng:
ởmiền thời gian:
{ }
{ }
1 0 1 0 1 0
[ ] 1 [ ]
1 ( [ ] [ ] [ ])
1 ( [ ] [ ] [ ]
M
l l m
m M
l m l m l m
m M
l m l m l m
m
E Y k Y k
M
H k X k Z k M
H S k P k Z k HP M
− +
=
−
+ + +
=
−
+ + +
=
=
= +
≈ + + ≈
∑
∑
∑
(4.24)
hoặc, ở miền tần số:
{ }
{ }
1 0 1 0 1 0
[ ] 1 [ ]
1 ( [ ] [ ] [ ])
1 ( [ ] [ ] [ ]
M
l l
m M
l l l
m M
l l l
m
E Y k Y k m
M
H k m X k m Z k m M
H S k m P k m Z k m HP M
−
=
−
=
−
=
= +
= + + + +
≈ + + + + + ≈
∑
∑
∑
(4.25)
Trong các biểu thức (4.24) và (4.25), chúng ta đã giả thiết rằng M đủ lớn để khiến cho trung bình của các tín hiệu dữ liệu xấp xỷ bằng không, nghĩa là,
1 0
1 [ ] 0
M l m
S k m M
−
=
+ ≈
∑ .
56
Sử dụng các biểu thức (4.24) và (4.25), thì ước lượng kênh thu được là:
{ [ ]}
ˆ E Y kl
H = P . (4.26)
Kỹ thuật ước lượng kênh này sử dụng tín hiệu được xếp chồng, nên không yêu cầu các âm hoa tiêu bổ sung, do đó, có lợi về khía cạnh tốc độ dữ liệu. Tuy nhiên, nó yêu cầu công suất bổ sung để truyền các tín hiệu hoa tiêu và một khoảng thời gian dài đủ để khiến cho trung bình của các tín hiệu dữ liệu bằng không. Đối với các thiết bị đầu cuối di chuyển nhanh, hiệu suất của ước lượng kênh sử dụng tín hiệu được xếp chồng trong miền thời gian có thể bị suy giảm do thời gian phù hợp ngắn làm giảm M, M có thể quá ngắn nên không thể khiến cho trung bình của các tín hiệu dữ liệu tiến đến không. Tương tự đối với ước lượng kênh sử dụng tín hiệu được xếp chồng trong miền tần số, hiệu suất của nó có thể bị suy giảm bởi dải thông phù hợp hẹp làm giảm M.
4.5.2 Ước lượng kênh mò (Blind Channel Estimation)
Bằng cách sử dụng các tính chất thống kê của các tín hiệu nhận được, kênh có thể được ước lượng mà không cần đến tín hiệu mở đầu hoặc các tín hiệu hoa tiêu. Hiển nhiên, kỹ thuật ước lượng kênh mò như vậy có ưu điểm là không chịu phí tổn phụ với các tín hiệu huấn luyện. Tuy nhiên, nó thường cần một lượng lớn các ký hiệu nhận được để rút ra các tính chất thống kê. Ngoài ra, hiệu suất của chúng thường kém hơn hiệu suất của các kỹ thuật ước lượng kênh thông thường mà sử dụng các tín hiệu huấn luyện. Một trong các kỹ thuật ước lượng kênh mò, thuật toán Bussgang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền đơn sóng mang. Kỹ thuật này sử dụng một bộ lọc, bộ ước lượng phi tuyến tính nhớ không (zero-memory nonlinear estimator), và thuật toán thích ứng. Phụ thuộc vào cách bộ ước lượng phi tuyến tính nhớ không được tạo cấu trúc, kỹ thuật này có thể được phân loại thành thuật toán Sato, thuật toán mođulo hằng số (CMA - Constant Modulus Algorithm), hoặc thuật toán Godard. Tuy nhiên,
57
thuật toán Bussgang ít khiđược sử dụng trong các hệ thống OFDM vì không dễ để tìm các bộ ước lượng phi tuyến tính thích hợp cho tín hiệu nhận được trong hệ thống OFDM [20].