3.3.2.1 Mô hình hệ thống
Mô hình hệ thống dùng để khảo sát trong hình 3.4. Để đơn giản, mô hình đã bỏ
qua một số modul như chèn CP, loại CP…. Kênh truyền trong mô hình là AWGN, có
SNR chung cho cả tín hiệu OFDM sử dụng PST (sau này gọi là tín hiệu PST) và tín hiệu OFDM không sử dụng PST (sau này gọi là tín hiệu NoPST).
Hoạt động của mô hình này như sau :
1. Tạo một tập số liệu (bit) ngẫu nhiên, chia chúng thành các nhóm bit
phù hợp với kích thước của khối điều chế QAM (10bit) và thực hiện ánh xạ QAM.
2. Tập các điểm chòm sao - các giá trị phức - thu được từ ánh xạ QAM
được nhóm lại thành các khối bằng với số sóng mang (128).
3. Các khối này được lấy đối xứng liên hợp rồi cho vào biến đổi IFFT
hoàn toàn, tuy nhiên do lỗi của Matlab nên mỗi khối phải chèn thêm một giá trị 0 vào vị trí đầu tiên). Các khối kết quả của IFFT được biến đổi song song ra nối tiếp.
Sau đó các giá trị này được đưa vào 2 luồng xử lí khác nhau a) Luồng truyền tín hiệu OFDM không sử dụng PST:
4. Tín hiệu được đưa qua khối clipping (khuếch đại truyền), mức clip (clip-level) được xác định bằng tích của giá trị cực đại của tín hiệu với
S/P QAM IFFT P/S Data
Hình 3.4 : Mô hình hệ thống trong chƣơng trình
PST Khuyếch đại truyền (clipping) K ên h tr u yề n S/P DeQAM FFT P/S S/P DeQAM FFT P/S IPST Thông tin hỗ tr ợ Tính BER Tính BER BER PST BER NoPST
tham số clip-ratio. Giá trị nào có trị tuyệt đối vượt quá clip-level được qui về giá trị có trị tuyệt đối bằng clip-level và giữ nguyên dấu.
5. Tín hiệu sau clipping được đưa qua kênh truyền, tức là cộng thêm nhiễu Gauss với SNR xác định. Giả thiết bộ khuếch đại phía thu bù lại được phần mất mát do suy hao, nên trong chương trình mô phỏng này kênh truyền coi như không có suy hao.
6. Tại nơi thu, tín hiệu được nhóm lại thành các khối với kích thước phù
hợp để đưa vào biến đổi FFT thông qua khối biến đổi nối tiếp ra song song. Các khối này sau đó được đưa qua khối biến đổi FFT.
7. Cắt bớt nửa sau của các khối kết quả sau FFT rồi đem kết quả cho qua
khối giải điều chế QAM. Sau đó biến đổi song song ra nối tiếp chúng ta được chuỗi dữ liệu kết quả. Đem so sánh với chuỗi dữ liệu phát ta thu được BER.
b) Luồng truyền tín hiệu OFDM có sử dụng PST:
8. Từ giá trị anpha (tức là u trong PST) và tín hiệu sau IFFT, tính ngưỡng thực hiện PST tương ứng. Sau đó tín hiệu được biến đổi PST và cho qua khối clipping rồi truyền qua kênh giống như luồng truyền tín hiệu không sử dụng PST. Trong khi biến đổi PST, lập bảng thông tin hỗ trợ (mảng đánh dấu thực hiện nhân/chia cho anpha). Bảng thông tin này được sử dụng ở phía thu trong khối giải PST (IPST) với giả thiết thông tin hỗ trợ được truyền sang nơi thu theo một cách nào đó đảm bảo lỗi rất thấp.
9. Sau khi qua kênh truyền, tín hiệu được giải điều chế PST, trong đó phải sử dụng thông tin hỗ trợ (bảng đánh dấu PST). Sau đó tiến hành các bước tương tự như bước 6 và 7 để giải điều chế và tính BER.
Tiến hành 2 thí nghiệm : khảo sát BER theo SNR với một giá trị clip-ratio và
anpha cố định để kiểm tra ảnh hưởng của PST lên hệ thống; sau đó với một giá trị clip- ratio cố định, khảo sát sự biến đổi của BER theo SNR và một số giá trị anpha, nhằm tìm ra giá trị anpha nào thích hợp nhất với một hệ OFDM có clip-ratio xác định và SNR trong một khoảng nào đó.
Với mỗi bộ số liệu (clip-ratio, anpha, SNR), chương trình mô phỏng được chạy 16 lần, mỗi lần truyền 10x220107 bit, tương đương với số bit truyền là 1.6x108, mục đích nhằm đạt được độ tin cậy cao của kết quả mô phỏng.
3.3.2.2 Kết quả mô phỏng
a) Khảo sát BER theo SNR của hệ thống OFDM có sử dụng và không sử dụng PST với giá trị clip-ratio và anpha cố định.
Kết quả mô phỏng thể hiện trên hình 3.5. Đây là kết quả chạy mô phỏng với
clip-ratio=0.85 và anpha=0.75. SNR được khảo sát trong khoảng 10-50dB. Từ kết quả mô phỏng ta có nhận xét :
1. Đối với hệ thống OFDM không sử dụng PST, BER giảm khi SNR tăng
và nó tiến đến một giai đoạn bão hòa khi SNR đạt một mức nào đó, ở đây là khoảng 40dB.
Nguyên nhân của sự bão hòa này có thể giải thích như sau: BER của hệ thống OFDM phụ thuộc chủ yếu vào hai nhân tố : mức clip và nhiễu trên đường truyền. Khi SNR tăng, nhiễu giảm đi. Đến một mức nào đó, ảnh hưởng của nhiễu không còn đáng kể so với lỗi bit do quá trình clipping
mức độ giảm của BER theo SNR là rất nhỏ. Trên hình 3.5 có thể thấy đường BER theo SNR của hệ OFDM không sử dụng PST giảm rất ít trong khoảng SNR>40dB.
Mức SNR mà BER tiến đến giai đoạn bão hòa phụ thuộc chủ yếu vào số bit mã hóa QAM. Khi nhiễu nhỏ đến một mức nào đó, khả năng đẩy một điểm chòm sao này sang một điểm chòm sao khác trở nên rất nhỏ, dẫn đến xác suất gây lỗi bit rất nhỏ. Với QAM 1024, SNR để BER bước vào giai đoạn bão hòa là khoảng 40dB, nhưng với QAM 2048 hoặc cao hơn, mức SNR này sẽ cao hơn. Mức BER bão hòa phụ thuộc chủ yếu vào tỉ lệ
clip-ratio và PAPR của hệ thống. Càng nhiều mức tín hiệu vượt quá clip- level thì lỗi xảy ra càng nhiều và mức BER bão hòa càng cao. Chính do quá trình clipping này mà BER không thể hạ thấp đến một mức nào đó (ví dụ 10-5) cho dù SNR có lớn đến bao nhiêu.
Hình 3.5 : Kết quả mô phỏng với clip-ratio=0.85, anpha=0.75
2. Với hệ thống OFDM có sử dụng PST, BER thu được luôn nhỏ hơn
BER của hệ OFDM không sử dụng PST với cùng SNR. Có thể thấy với cùng SNR=34dB, sử dụng PST làm BER giảm đi hơn 10 lần. Hơn nữa với cùng BER mong muốn, sử dụng PST sẽ làm giảm SNR yêu cầu. Ví dụ với BER=2.10-4, sử dụng PST có thể được lợi đến 4dB. Mặt khác sử dụng PST, hệ thống có thể đạt được các mức BER thấp mà hệ thống không sử dụng PST không thể đạt được.
Trên hình 3.5 không nhận thấy giai đoạn bão hòa của BER của hệ thống OFDM có sử dụng PST. Có hai nguyên nhân chính:
+ Lỗi do clipping của hệ thống OFDM có sử dụng PST nhỏ hơn rất nhiều so với hệ OFDM không sử dụng PST. Với SNR khá lớn (40dB), tuy lỗi do nhiễu là nhỏ, nhưng lỗi do clipping gây ra cũng rất nhỏ, nên lỗi tổng cộng vẫn phụ thuộc vào lỗi do nhiễu chứ không chỉ phụ thuộc chủ yếu vào lỗi do clipping như trong trường hợp OFDM không sử dụng PST. Do đó BER chưa thể bão hòa được.
+ Một lí do khác là lỗi của nhiễu có thể được tăng lên qua quá trình giải PST. Do chia cho anpha nên nhiễu được khuếch đại lên 1/anpha lần, dẫn đến có thể làm cho điểm chòm sao của QAM nhảy sang điểm lân cận khi giải điều chế QAM. Do điều này, SNR để quan sát thấy hiệu ứng bão hòa của hệ sử dụng anpha nhỏ sẽ lớn hơn so với hệ sử dụng anpha lớn.
Thực tế là với số bit dữ liệu truyền rất lớn (cỡ 1026) có thể quan sát thấy một giai đoạn mà BER không giảm đi khi tăng SNR.
b) Khảo sát BER theo SNR và anpha của hệ thống OFDM sử dụng PST với giá trị clip- ratio cố định.
Để tìm ra giá trị anpha thích hợp cho hệ thống OFDM với một khoảng SNR nào đó, ta tiến hành khảo sát BER của hệ thống với một số giá trị của anpha và một khoảng biến thiên của SNR. Thí nghiệm thứ 2 này khảo sát BER với SNR biến thiên trong khoảng 10-45 và một số giá trị của anpha nằm trong khoảng 0.2-0.9. Giá trị clip-ratio
được cố định là 0.85. Kết quả thu được trên hình 3.6
Hình 3.6: Kết quả mô phỏng với clip-ratio=0.85
1. Với một số giá trị của anpha, hệ thống hoạt động còn tồi hơn so với khi không sử dụng PST. Trên hình có thể thấy với anpha=0.2-0.3, BER của hệ OFDM sử dụng PST cao hơn nhiều so với không sử dụng PST.
2. Với một số giá trị anpha, hệ thống OFDM sử dụng PST hoạt động tốt hơn hệ
không sử dụng PST trong miền SNR cao, và tồi hơn trong miền SNR thấp. Trên hình 3.6 có thể thấy điều này với anpha=0.4-0.5. Nguyên nhân là do BER của hệ OFDM sử dụng PST giảm nhanh khi SNR tăng cao, trong khi hệ OFDM không sử dụng PST thì BER lại tiến vào giai đoạn bão hòa khi SNR lớn.
3. Hiệu quả sử dụng PST không tăng đồng biến với anpha. Có một vùng anpha tối
ưu ở khoảng 0.65-0.8. Khi anpha quá lớn, hiệu quả thu được không những không tốt hơn mà còn tồi hơn so với anpha nhỏ. Trên hình có thể thấy anpha=0.9 tồi hơn anpha=0.7.
4. Một số giá trị của anpha đã cho phép quan sát thấy giai đoạn “bất thường” của BER khi SNR tăng. Đây có thể chính là giai đoạn chuyển tiếp vào giai đoạn bão hòa. Với anpha=0.7 còn quan sát được một đoạn đồ thị “tách rời” ra. Sự bất qui tắc có thể do số lần chạy chưa đủ lớn với mức BER quá thấp như vậy, dẫn đến kết quả BER thu được chưa chính xác. Kết quả tương tự như với các anpha khác, khi SNR lớn thì không thấy BER trên hình, do BER đo được bằng 0. Để thu được kết quả chính xác hơn, cần phải chạy mô phỏng với bộ số liệu lớn hơn nhiều. Ví dụ với BER=10-8, cần phải chạy với số bit mỗi lần cỡ 109 thì mới có thể có kết quả. Tuy nhiên do hạn chế về tốc độ máy và tài nguyên hệ thống, hiện tại em chưa chạy mô phỏng với số liệu lớn như vậy.
Để chắc chắn thêm về những nhận xét trên, em chạy một chương trình khác với
6.10-5 lên 6.10-4) và một số giá trị anpha đã quan sát thấy giai đoạn bão hòa (anpha=0.85 và 0.9) và một số giá trị anpha bắt đầu bước vào giai đoạn “bất thường” (anpha=0.75 và 0.8).
Kết quả mô phỏng có thể quan sát trên hệ tọa độ 3D như hình 3.8(với clip- ratio=0.85). Trên hình này có thể quan sát được sự biến thiên của BER theo SNR với anpha cố định hoặc BER theo anpha với SNR cố định (các đường lưới). Các đường biến thiên BER theo anpha thể hiện sự “võng” ở khu vực 0.75, đặc biệt với SNR lớn. Khu vực “bất thường” được thể hiện bởi một mảng nằm tách biệt.
KẾT LUẬN
Theo xu hướng các của các nghiên cứu hiện tại và sắp tới về OFDM, là tập trung vào mô hình cụ thể các ứng dụng của OFDM hay khắc phục các nhược điểm của hệ thống, Luận văn trình bày về vấn đề xem xét kỹ thuật biến đổi cân chỉnh khối cho hệ thống OFDM để giải quyết vấn đề PAPR (cao), bao gồm nội dung cụ thể của phương pháp, hiệu quả của phương pháp và ảnh hưởng gây ra đối với hệ thống khi áp dụng phương pháp. Nội dung của luận văn có thể tóm tắt lại như sau:
Lịch sử phát triển của kỹ thuật OFDM cho đến nay là khoảng trên 40 năm, ban đầu trong phòng thí nghiệm có mô hình điều chế tương tự; trong đó, đòi hỏi phải có các băng lọc hoàn hảo và nhiều bộ dao động cao tần với độ ổn định tần số rất cao. Yêu cầu khắt khe này có thể được thay thế bằng cách sử dụng bộ biến đổi nhanh Fourier ngược (IFFT) để tạo ra một hệ thống hiệu quả cả về kỹ thuật lẫn kinh tế, tạo ra tiền đề cho việc áp dụng OFDM vào thực tế.
Với cùng một dải thông, ta thấy tốc độ của ký hiệu OFDM nhỏ hơn truyền đơn sóng mang, do OFDM chia dải thông thành N sóng mang. Tốc độ ký hiệu thấp khiến cho OFDM có tính kháng nhiễu (ISI) cao, điều này đặc biệt đáng giá đối với kênh fading chọn tần. Những ảnh hưởng của ISI có thể được cải thiện tốt hơn nữa nếu thêm vào các dải bảo vệ trước mỗi ký hiệu. Dải bảo vệ được chọn sao cho nó dài hơn trễ trải (đại lượng đặc trưng của kênh đa đường), khi đó, thành phần đa đường không làm nhiễu đến phần tín hiệu kế tiếp. Dải bảo vệ chèn vào có thể là dải trống hoặc một ký hiệu đặc biệt. Tuy nhiên, khi chèn thêm dải trống, ký hiệu OFDM sẽ mất tính tuần hoàn và làm mất tính trực giao giữa các sóng mang con trong miền tần số, xuất hiện nhiễu xuyên kênh (ICI). Để triệt ICI, dải bảo vệ cần được chọn sao cho nó lợi dụng được tính chất vòng của biến đổi Fourier, và nó được chọn là bản sao đoạn cuối ký hiệu OFDM để ghép vào đầu ký hiệu. Khi đó, tính tuần hoàn trong miền thời gian vẫn được duy trì và các sóng mang trong miền tần số trực giao, không còn ICI. Do dải bảo
vệ có đặc tính như vậy, nó thường được gọi là tiền tố vòng (CP). Mặc dù việc chèn CP vào chuỗi ký hiệu OFDM truyền đi làm giảm hiệu suất truyền tin, song, những lợi ích to lớn mà nó đem lại khiến cho việc sử dụng kỹ thuật này là rất phổ biến trong thực tế.
Xu hướng sử dụng OFDM trong tương lai là các hệ thống phối hợp, bổ sung và hỗ trợ các truyền thống đơn sóng mang chứ không cạnh tranh với các hệ thống này.
Với những ưu điểm nổi bật khi dùng trong môi trường vô tuyến di động, OFDM đã được khuyến nghị dùng cho các hệ thống thông tin tốc độ cao như phát thanh, truyền hình số và các hệ thống thông tin di động trong tương lai như hệ thống WLAN. OFDM cũng là một giải pháp đầy hứa hẹn để thực hiện hệ thống thông tin di động đa phương tiện (còn gọi là thông tin di động thế hệ 4).
Tuy nhiên, OFDM còn tồn tại hai nhược điểm nổi bật là: tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) cao, và đồng bộ nhạy với di tần. Luận văn đi theo hướng tìm giải pháp khắc phục nhược điểm thứ nhất.
PAPR biểu diễn khoảng cách của các ký tự trong không gian tín hiệu đến gốc. PAPR cao làm tăng giá cả nhưng lại làm giảm hiệu quả của hệ thống OFDM. Để giảm PAPR người ta đề xuất các phương pháp và mô phỏng đặc tính thống kê của nó. Hàm phân bố tích luỹ bù (CCDF) của PAPR biểu hiện xác suất mà giá trị cực đại của các mẫu trong một ký hiệu OFDM vượt quá một ngưỡng xác định, do đó thể hiện khả năng giá trị cực đại của một mẫu lớn hơn giá trị trung bình nhiều lần. Thông thường, để khảo sát tính hiệu quả của một phương pháp, người ta mô phỏng phương pháp này với dữ liệu ngẫu nhiên, có thể xét thêm các khối như nhiễu, fading, và vẽ đồ thị CCDF của tín hiệu gốc cùng với tín hiệu đã xử lý trên cùng một hệ toạ độ. Nếu chỉ xét về đặc tính thống kê, hàm CCDF càng chuyển về gần trục hoành thì phương pháp càng được đánh giá cao. Tuy nhiên, để đưa phương pháp đó vào thực tế, người ta còn phải tính đến các
thiết bị), sự thay đổi các tiêu chuẩn truyền thông, ảnh hưởng đến các đặc tính của hệ thống như BER, dung lượng kênh.
Do tầm quan trọng cũng như tính thiết thực của vấn đề, có khá nhiều giải pháp đã được đề xuất cho vấn đề giảm PAPR, ta có thể chia chúng thành ba loại. Loại thứ nhất có thể được gọi là kỹ thuật làm méo tín hiệu, kỹ thuật này làm giảm biên độ đỉnh bằng cách làm méo phi tuyến tại đỉnh hoặc xung quanh đỉnh. Loại thứ hai là kỹ thuật