3. Bố cục của luận văn
1.9.2. Các hệ thống thông tin di động hiện đại WCDMA/HSDPA/HSUPA
- WCDMA đƣợc phát triển bởi NTT DOCOMO và ETSI nhƣ giao diện vô tuyến 3G.
- Đặc điểm WCDMA: Dải thông 5MHz, tốc độ chíp 3,84Mcps; hệ số trải phổ biến đổi và kết nối đa mã, tốc độ dữ liệu thay đổi trong phạm vi rộng, điều khiển công suất nhanh cả hai đƣờng, FDD và TDD, trạm gốc dị bộ, dùng lại mạng core và HO với GSM, hỗ trợ phân tập phát DL.
+ HSDPA/HSUPA: cho phép kết nối vô tuyến tốc đọ cao cỡ băng rộng hữu tuyến, gửi và nhận email có phai đính kèm lớn, chơi game tƣơng tác thời gian thực, gửi và nhận ảnh và video chất lƣợng cao, tải xuống nhạc và video.
+ Đặc điểm HSDPA: Tốc độ dữ liệu 14,4Mbps, có kênh mới HS - DSCH.
+ Đặc điểm HSUPA: Tốc độ 5,76Mbps, dùng kênh riêng tăng cƣờng E- DCH.
+ HSDPA/HSUPA: 3,5G.
CDMA2000/1xEV-DO/1xEV-DV
- Đặc điểm của CDMA2000: CDMA2000 1X và CDMA2000 3X ít dùng thƣơng mại.
- Đặc điểm CDMA2000 1xEV-DO: bổ xung khả năng tốc độ dữ liệu cao (HDR), DL ghép theo thời gian; Rev. A có dữ liệu 3,1Mbps trong kênh riêng gói.
- Đặc điểm CDMA2000 1xEV-DV: tốc độ nhƣ EV-DO, hỗ trợ hoạt động đồng thời 1x thoại, 1x Data và 1xEV-DO trên cùng kênh vô tuyến (tạm dừng).
TD-SCDMA
- Do Trung Quốc đề xuất.
- Đặc điểm: Dùng TDD, điều chỉnh động số khe thời gian để hỗ trợ lƣu lƣợng không đối xứng, DL và UL cùng sóng mang nên điều kiện kênh nhƣ nhau (ĐKCS dễ, suy thông tin kênh DL từ UL để giúp beamforming); S nghĩa là tín hiệu UL đồng bộ tại BS, giảm nhiễu MUI, tăng dung lƣợng.
Bảng 1.3. Các mạng di động hiện đại
Tham số WCDMA CDMA2000 TD-SCDMA
Đa truy nhập DS-CDMA 1x:DS-CDMA 3x:MC-CDMA TDMA, CDMA, FDMA Giãn cách sóng mang 5MHz 1x:1,25MHz 3x:3,75MHz 1,6MHz Tốc độ chíp 3,84 Mcps 1x:1,2288Mcps 3x:3,6864Mcps 1,28Mcps
Tốc độ dữ liệu Đến 1920Kbps (đến 10Mbps dùng HSDPA ) 153,6Kbps đến 2,4Mbps với EV- DO và 5,2Mbps với EV-DV Đến 2Mbps Phƣơng pháp song công FDD/TDD FDD TDD Tần số ĐK công suất 1500Hz 800Hz trên DL/UL DL/UL Đồng bộ BS Dị bộ Đồng bộ Đồng bộ Độ dài khung 10ms 5ms, 10ms, 20ms 10ms
Hệ số trải phổ SF thay đổi từ 4 đến 512
4÷256UL 1,2,4,8 và 16
Điều chế dữ liệu QPSK/kênh kép QPSK
BPSK/QPSK QPSK hoặc 8PSK Xử lý anten Phân tập phát DL
(mã hoá không gian, thời gian)
Phân tập phát DL (trải không gian,
thời gian)
Anten thông minh, có tạo búp
sóng
1.9.3. Tương lai phát triển của OFDM
Các giải pháp cho 4G
Đa truy nhập: OFDMA (DL), MC-CDMA, SC-FDMA (UL) Điều chế và mã thích nghi (AMC)
ARQ lai (H-ARQ)
Song công lai (FDD/TDD) MIMO
Bảng 1.4. Các hệ thống di động trong tƣơng lai Đặc
điểm chính
WiBro 3GLTE IEEE802.2
0 4G Phổ 2,3GHz 2,5÷2,6GHz 3÷5GHz Dải thông 10MHz (20MHz) 5MHZ, 10MHz, 15MHz, 20MHz 5MHZ, 10MHz, 15MHz, 20MHz 5÷100MHz Dịch vụ Internet di động/Tốc độ cao, Internet vô
tuyến Dịch vụ di động tốc độ cao Dịch vụ di động tốc độ cao Hội tụ băng rộng khắp nơi Đa truy nhập OFDMA/TDD OFDMA/FDD, TDD, SC-FDMA OFDMA/F DD, TDD OFDMA, MC-CDMA Tốc độ dữ liệu 30/50Mbps@3 km/s 100Mbps@3km/s 100Mbps@ 3km/s 120Mbps@10 0km/h 1/3Gbps@3k m/s Di động 120km/h 350km/h 350km/h 350km/h Nhận xét WiBro-II: chất lƣợng tốt hơn so với 3G LTE và 802.20 Tƣơng tự 802.20 Hỗ trợ bởi QUALCO MM Vùng phủ lớn, QoS Bắt đầu dịch vụ WiBro: 9/2005 WiBroEvol:12/ 2007 07/2007 10/2006 2010÷2015 Những thách thức
Tính không tin cậy của môi trƣờng vô tuyến (do tổn hao, méo, nhiễu, di chuyển máy thu và máy phát…).
Hiệu quả sử dụng phổ (tận dụng tốt băng tần đã cho, dung băng tần cao hơn).
Quản lý công suất: P tỉ lệ với C. V.F. Tính an ninh (bảo mật , tính riêng tƣ….).
Định vị, định tuyến (theo dõi MS, định tuyến cuộc gọi,…). Ảnh hƣởng đến sức khỏe.
1.10. Tổng kết chƣơng
Trong chƣơng này đã trình bày khá chi tiết về kỹ thuật OFDM, đồng thời cũng phân tích các vấn đề kỹ thuật ảnh hƣởng đến chỉ tiêu chất lƣợng hệ thống sử dụng OFDM. Trong đó vấn đề ƣớc lƣợng kênh là một vấn đề quan trọng cần giải quyết khi sử dụng OFDM.
CHƢƠNG 2. ƢỚC LƢỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG OFDM VÀ HIỆU QUẢ CỦA MẪU PILOT
2.1. Giới thiệu chung
OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao. Tuy nhiên, để có thể đem áp dụng vào các hệ thống, có ba vấn đề cần phải giải quyết khi thực hiện hệ thống sử dụng OFDM:
+ Ƣớc lƣợng tham số kênh. + Đồng bộ sóng mang
+ Giảm tỉ số công suất tƣơng đối cực đại PAPR(Peak to Average Power Ratio)
Vấn đề thứ nhất liên quan trực tiếp đến chỉ tiêu chất lƣợng hệ thống OFDM nếu dùng phƣơng pháp giải điều chế liên kết, còn hai vấn đề sau liên quan đến việc xử lý các nhƣợc điểm của OFDM. Ngoài ra, để nâng cao chỉ tiêu chất lƣợng hệ thống, ngƣời ta sử dụng mã hóa tín hiệu OFDM.
Để ƣớc lƣợng kênh, phƣơng pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đƣờng (PSAM-Pilot signal assisted Modulation).
Vì vậy trong chƣơng này sẽ đi tìm hiểu về ƣớc lƣợng kênh truyền trong hệ thống OFDM và đánh giá hiệu quả của mẫu Pilot
2.2. Ƣớc lƣợng và cân bằng kênh
2.2.1. Giới thiệu
Kênh suy hao theo tần số chọn lọc và thay đổi theo thời gian là một vấn đề cần giải quyết với ngƣời thiết kế hệ thống truyền thông không dây. Hệ thống OFDM phải thực hiện ƣớc lƣợng kênh và cân bằng kênh. Có nhiều cách để thiết kế một đầu nhận phụ thuộc vào mô hình kênh đƣợc sử dụng và tính phức tạp trong mỗi nhiệm vụ thực thi của hệ thống. Đặc tính của đa sóng mang có thể có thế mạnh trong kỹ thuật ƣớc lƣợng cũng nhƣ cân bằng.
2.2.2. Ước lượng kênh
Trong liên kết đa sóng mang, các bit điều chế đƣợc phân bổ trong suốt thời gian truyền thông qua sự tác động của kênh truyền. Kênh truyền sinh ra sự
dịch chuyển biên độ và pha của tín hiệu điều chế do đặc tính thay đổi theo thời gian và tần số chọn lọc của kênh truyền vô tuyến.
Hình 2.1. Tín hiệu bị méo dạng do kênh truyền
Để các máy thu ở đầu nhận thu đƣợc các bít nguyên thủy cần phải tính đến các thay đổi chƣa biết xảy ra trong lúc truyền. Hình 2.1 mô tả một hệ thống truyền đa sóng mang OFDM tiêu biểu có sự ảnh hƣởng của kênh truyền. Ở đầu nhận sử dụng bộ tách sóng hoặc không liên kết hoặc liên kết để khôi phục lại các bit ban đầu. Tách sóng kiểu liên kết sử dụng các giá trị tham chiếu đã đƣợc truyền cùng với các bít dữ liệu. Đầu nhận có thể điều chỉnh vào các giá trị đó. Toàn bộ kênh truyền có thể đƣợc ƣớc lƣợng bằng cách sử dụng nhiều kỹ thuật nội suy. Đối với kỹ thuật tách không liên kết không sử dụng bất cứ giá trị tham chiếu nào mà sử dụng cách điều chế vi sai, kỹ thuật này truyền độ sai biệt của hai ký hiệu liên tiếp. Máy thu sử dụng hai ký hiệu kế cận trong miền thời gian hoặc hai sóng mang kế cận trong miền tần số để so sánh một ký hiệu với một ký hiệu khác đƣợc truyền.
2.2.3. Cân bằng cho hệ thống OFDM
Trong hệ thống OFDM, dữ liệu ngõ vào thực hiện điều biến để tạo thành tín hiệu dải gốc ở dạng phức sẽ đƣợc chuyển từ nối tiếp thành N luồng song song tạo thành symbol OFDM. Ta chuyển symbol OFDM thành tín hiệu OFDM bằng phép biến đổi IFFT. Theo ý nghĩa của IFFT, ta đã chuyển tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian, và ngõ ra là tín hiệu tổng hợp của N thành phần tuần hoàn, đó là s(t). Để đơn giản ta bỏ qua việc điều chế và giải điều
chế sóng mang. Tín hiệu OFDM s(t) đƣợc truyền qua kênh truyền có đáp ứng xung h(t), ở đầu thu ta nhận đƣợc r(t). Trong trƣờng hợp có nhiễu AWGN n(t), ta có [8]:
r(t)=h(t)*s(t)+n(t) (2.1) Tƣơng ứng trong miền tần số, ta có:
R(f)=H(f).S(f)+N(f) (2.2)
Trong đó S(f) chính là symbol OFDM truyền. Việc khôi phục để tìm lại S(f) trở thành công việc lọc nhiễu N(f) và ƣớc lƣợng đáp ứng tần số của kênh truyền. Do bộ ƣớc lƣợng kênh truyền H(f) và cân bằng đƣợc thực hiện sau bộ biến đổi FFT nên công việc đƣợc thực hiện dựa trên các phép nhân/chia thƣờng chứ không phải tích chập. Điều này đem lại nhiều thuận lợi khi xử lý thời gian thực.
Hiệu quả của kỹ thuật OFDM phụ thuộc vào việc lệch tần số và lệch pha. Nếu kênh truyền có hiện tƣợng Doppler, các bộ PLL, và các mạch dao động ở đầu thu (phần front-end) không thật sự tƣơng đồng với đầu phát hoặc chúng hoạt động có sai số thì các subcarrier sẽ bị lệch tần số. Vấn đề thứ hai là ngoài lệch tần số các tác động của kênh truyền và mạch còn gây ra lệch pha (hình constellation bị nghiêng). Vấn đề thứ ba là xung clock của các bộ ADC, DAC ở đầu phát và thu có thể khác nhau làm thời gian kéo dài symbol OFDM khác nhau, do đó cần phải có sự đồng bộ các symbol OFDM. Các vấn đề trên đều ảnh hƣởng đến khả năng khôi phục dữ liệu truyền nếu không có phƣơng pháp khắc phục.
Việc thêm cyclic prefix có thể giải quyết đƣợc vấn đề đồng bộ các symbol OFDM. Với đoạn cyclic prefix (CP), nếu thời gian trì hoãn của kênh truyền nhỏ hơn đoạn CP. Ta có thể đồng bộ symbol OFDM nhờ vào đoạn cyclic prefix. Việc đồng bộ đƣợc thực hiện bằng phép tính tƣơng quan để dò ra vị trí bắt đầu của symbol OFDM. Sau đó, ta lấy FFT N điểm từ vị trí này, sự lệch pha sẽ đƣợc giảm tối thiểu.
Khi đã đồng bộ đƣợc symbol OFDM, vấn đề lệch tần số và lệch pha lúc này có tác động nhƣ nhiễu Gauss có thể giải quyết bằng cách tăng khoảng cách giữa các subcarrier. Tuy nhiên, kỹ thuật đƣợc sử dụng trong đề tài là cài vào các thông tin biết trƣớc tại những subcarrier biết trƣớc trong symbol OFDM, gọi là các pilot.
2.3. Các phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh
Có 3 phƣơng pháp chính để thực hiện ƣớc lƣợng kênh:
2.3.1. Ước lượng kênh dùng tín hiệu Pilot (Pilot-Aided Channel Estimation - PACE)
Tại bên phát, thực hiện chèn tín hiệu đã biết (hoa tiêu) vào khung tín hiệu OFDM với khoảng cách nhất định trong miền thời gian, tần số. Tại bên thu, tín hiệu lấy mẫu tƣơng ứng với các điểm chèn hoa tiêu cho phép đánh giá kênh truyền hệ thống tại vị trí ấy. Bằng phƣơng pháp nội suy, từ những điểm chèn hoa tiêu đó ta suy đƣợc giá trị kênh truyền tại các điểm khác trong khung, giúp cho việc quyết định tín hiệu chính xác hơn.
2.3.2. Ước lượng kênh đệ quy (Decision-Directed Channel Estimation - DDCE)
Phƣơng pháp này cũng chèn tín hiệu dạng hoa tiêu nhƣng ít hơn. Tín hiệu đã biết (hoa tiêu hay chuỗi huấn luyện) chỉ chèn tại đầu mỗi khung. Tại bên thu, dựa vào chuỗi huấn luyện đó để biết thông tin kênh tạm thời. Ban đầu tín hiệu đƣợc quyết định thông qua thông tin kênh tạm thời, sau đó cả thông tin về tín hiệu vừa đƣợc xử lý này lại tham gia vào việc quyết định tín hiệu sau... Thông tin của cả khung đƣợc tận dụng tối đa. Tuy nhiên, đó cũng là một nhƣợc điểm của phƣơng pháp này. Khi tín hiệu lặp lại quá nhiều, tốc độ xử lý chung sẽ giảm đi, khó có thể áp dụng cho những ứng dụng đòi hỏi thời gian thực khi mà khung dữ liệu quá lớn.
2.3.3. Ước lượng kênh bằng phương pháp mù (Blind/Semi-Blind Channel Estimation -BCE)
Đây là phƣơng pháp không sử dụng việc chèn tín hiệu đã biết tại bên phát. Quyết định tín hiệu chỉ dựa vào thông tin của tín hiệu thu. Phƣơng pháp này tuy có tốc độ truyền tin cao (do không chèn thêm tín hiệu hoa tiêu) nhƣng tốc độ xử lý tại bên thu thấp và chất lƣợng quyết định không cao bằng hai phƣơng pháp trên.
Trong ba phƣơng pháp này thì phƣơng pháp sử dụng pilot cho tín tín tốt nhất vì vậy sau đây sẽ đi sâu vào nghiên cứu phƣơng pháp sử dụng Pilot.
2.4. Phƣơng pháp sử dụng pilot
Ở đầu thu, các giá trị pilot đƣợc cung cấp cho bộ ƣớc lƣợng kênh truyền, từ giá trị nhận đƣợc và giá trị gốc của pilot ta tính đƣợc tác động của kênh
truyền tại các vị trí pilot và nội suy ra toàn bộ đáp ứng tần số của kênh truyền cho cả symbol.
Sau đó, từ tín hiệu nhận đƣợc và đáp ứng kênh truyền ta khôi phục lại symbol OFDM gốc. Pilot có thể chèn cùng với dữ liệu có ích ở cả miền tần số và miền thời gian nhƣ trình bày ở hình sau. Tuy nhiên, khoảng cách giữa hai pilot phải tuân theo luật lấy mẫu ở cả miền tần số và miền thời gian.
Hình 2.2. Các pilot trong miền thời gian và tần số
Sự thay đổi kênh truyền ở miền tần số phụ thuộc vào thời gian trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh max. Gọi rf là tỉ số lấy mẫu ở miền tần số, f là khoảng cách giữa hai sóng mang con, khoảng cách giữa hai pilot phải thoả điều kiện sau đây: 1 1 max f D r f f (2.3)
Tỷ số lấy mẫu tối thiểu ở miền tần số rf =1. Khi rf<1 thì kênh truyền không đƣợc khôi phục hoàn toàn thông qua pilot.
Tƣơng tự nhƣ ở miền tần số, khoảng cách giữa hai pilot phải thoả biểu thức 1 ) ( 2 1 max t S G D t T D f r (2.4)
với fDmaxlà tần số tối đa gây ra bởi hiệu ứng Doppler
Việc ƣớc lƣợng đáp ứng tần số H(f) của kênh truyền đặc biệt hữu dụng trong hệ thống sử dụng OFDM do symbol OFDM chính là phổ tần của tín hiệu
OFDM. Tại đầu thu, tín hiệu OFDM luôn phải đƣợc chuyển về symbol OFDM bằng biến đổi Fourier nên tín hiệu nhận đƣợc lúc này là R(f) thay vì r(t). Điểm thuận lợi khi ƣớc lƣợng đáp ứng tần số là các phép nhân chập trong miền thời gian đƣợc chuyển thành nhân thƣờng trong miền tần số.
Gọi SPilot(f )là các vị trí thông tin biết trƣớc đƣợc phân tán trong symbol OFDM. Tại đầu thu, khi nhận đƣợc R(f) , các vị trí tƣơng ứng với các pilot sẽ đƣợc trích ra, ta có: ) ( ) ( ). ( ) (f S f H f N t
RPilot pilot pilot (2.5)
Tạm bỏ qua tác động của nhiễu AWGN, ta có
) ( ). ( ) (f S f H f
RPilot pilot pilot (2.6)
Từ đó suy ra đáp ứng tần số của kênh truyền tại các vị trí tƣơng ứng với các pilot ) ( ) ( ) ( f S f R f H pilot pilot pilot (2.7)
Từ Hpilot(f), toàn bộ đáp ứng H(f) của kênh truyền có thể đƣợc suy ra bằng rất nhiều cách khác nhau nhƣ: nội suy tuyến tính, nội suy dùng đa thức, sử dụng lọc Wiener-Hop, hoặc nhiều thuật toán mang tính thống kê phức tạp khác.
Có khá nhiều dạng pilot cài vào symbol OFDM đƣợc đề nghị, hình 2.3 mô tả một số dạng pilot đang đƣợc sử dụng. Mỗi dạng có điểm mạnh và điểm yếu riêng tuỳ vào đặc trƣng của kênh truyền. Một số thuật toán điều chỉnh dạng pilot thích nghi đang đƣợc tiến hành nghiên cứu cho thấy đây vẫn còn là vấn đề cần đƣợc nghiên cứu sâu hơn.
Hình 2.3. Các dạng pilot thông dụng (802.11, 802.16, DVB_T,…)
Trong phần này ta sẽ khảo sát một vài kỹ thuật ƣớc lƣợng kênh. Đặt các pilot cách nhau một khoảng thời gian t
p N và cách nhau một khoảng Npf symb d t p T B N 1 f Npf 1 (2.8)
với f là độ rộng băng thông của sóng mang, Tsymb là thời gian truyền ký hiệu.
Có nhiều loại sắp xếp các sóng pilot khác nhau phụ thuộc vào điều kiện kênh truyền. Các loại này đuợc phân thành hai cấp cao hơn. Một là khối sắp xếp pilot thí điểm với kênh truyền suy hao chậm. Tất cả sóng mang đƣợc sử dụng cùng một lúc và kênh ƣớc lƣợng đƣợc sử dụng cho tách ký hiệu tới tiếp theo. Điều này sẽ cho kết quả đúng vì sự thay đổi của kênh truyền rất chậm và
Pilot tones (comb)
Time Time
Time Time
Symbol pilot (preamble)
Frequency Frequenc
y
Frequency
Frequency
kênh truyền có tƣơng quan đến chuỗi dữ liệu liên tiếp thu đƣợc. Cách thứ hai
là sắp xếp các pilot thí điểm theo hình răng lƣợc. Điều này đƣợc thực hiện bằng