2. KẾT CẤU CỦA LUẬN VĂN
3.4. Các thông số đặc trƣng và dung lƣợng hệ thống truyền dẫn OFDM
3.4.1. Cấu trúc tín hiệu OFDM
Hình 3.8. Cấu trúc tin hiệu OFDM
Hình 3.8 cho thấy cấu trúc của các ký hiệu OFDM trong miền thời gian. là thời gian để truyền dữ liệu hiệu quả, là thời gian bảo vệ. Cũng thấy các thông số khác, là thời gian cửa sổ. Thấy rõ quan hệ giữa các thông số là.
Cửa sổ đƣợc đƣa vào nhằm làm mịn biên độ chuyển về không tại các ranh giới ký hiệu, và để giảm tính nhạy cảm của dịch tần số. Loại cửa sổ đƣợc dùng phổ biến là loại cửa sổ cosine tăng đƣợc định nghĩa bởi.
Trong đó là hệ số dốc của cosin tăng và khoảng thời gian ký hiệu , nó ngắn hơn toàn bộ khoảng thời gian của một ký hiệu vì ta cho phép các ký hiệu lân cận chồng lấn một phần trong vùng dốc (roll-off region).
Một ký hiệu OFDM bắt đầu tại thời điểm (bắt đầu của ký hiệu thứ k) đƣợc định nghĩa bởi các phƣơng trình (3.9).
Trong đó đƣợc thấy trong hình 3.8.
3.4.2. Các thông số trong miền thời gian TD
Từ hình 3.8 có thể tách các thông số OFDM trong miền thời gian: chu kỳ ký hiệu , thời gian truyền hiệu quả hay thời gian FFT , thời gian bảo vệ , thời gian cửa sổ . Trong mô phỏng chỉ thực hiện đối với và chu kỳ ký hiệu chiếm đa phần thời gian. Nếu không tính đến thời gian cửa sổ, thì công thức (3.7) trở thành:
Ngoài ra, xác định một thông số mới FSR (tỉ số giữa thời gian FFT và thời gian ký hiệu) đƣợc định nghĩa bởi.
Thông số này đánh giá hiệu quả tài nguyên đƣợc dùng trong miền thời gian và có thể đƣợc dùng để tính toán thông lƣợng (throughput).
3.4.3. Các thông số trong miền tần số FD
Hình 3.9 trình bầy sắp xếp OFDM trong miền tần số. Có ba thông số chính (đƣợc cho trong bảng 3.1): toàn bộ độ rộng băng tần cho tất cả các sóng mang con B, độ rộng băng tần sóng mang con f, và số sóng mang con . Quan hệ giữa chúng là
Hình 3.9. Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con
Thực tế, toàn bộ độ rộng băng tần khả dụng B đƣợc cho là hạn chế trƣớc khi thiết kế hệ thống. Vì vậy, đối với ngƣời thiết kế, các thông số OFDM trong miền tần số có thể đƣợc xác định là độ rộng băng tần sóng mang con f và số sóng mang con . Do độ rộng băng tần sóng mang con và số sóng mang con phụ thuộc nhau ở dạng (3.15), nên chỉ cần gán giá trị cho một thông số là đủ. Nhƣng cả hai đều đƣợc kiểm tra bằng cách dùng tiêu chuẩn chứa chúng. Nói cách khác, có hạn chế về độ rộng băng tần sóng mang con cũng nhƣ số sóng mang con. Tất cả nên đƣợc kiểm tra để thiết kế độ rộng băng sóng mang con và đối với số sóng mang con.
3.4.4. Quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số.
Thông số miền thời gian và thông số miền tần số f có quan hệ với nhau, nghĩa là chúng là tỉ lệ nghịch của nhau. Vì vậy, việc đặt giá trị cho một thông số là đủ để thiết kế hệ thống. Từ bảng 3.1 cho thấy cho trƣớc toàn bộ độ rộng băng tần, cần phải gán các giá trị cho độ rộng băng sóng mang con (hoặc số sóng mang con) và thời gian bảo vệ cho một hệ thống OFDM. Theo đó, có thể tìm đƣợc các thông số khác, nghĩa là số sóng mang con (hay độ rộng băng sóng mang con), chu kỳ ký hiệu và FSR.
Miền khảo sát
Tham số khảo sát
Mối quan hệ Tham số
dùng thiết kế
FD B, f, Nsub f hoặc Nsub
TD Tsym, TFFT, FSR, TG TG
3.4.5. Dung lƣợng của hệ thống OFDM
Một trong các muc tiêu của điều chế thích ứng là cải thiện dung lƣợng. Vì thế trƣớc hết cần nghiên cứu các thông số nào ảnh hƣởng lên dung lƣợng. Trong phần này đồ án đề cập các thông số này và đƣa ra công thức để xác định chúng.
Dung lƣợng kênh theo Shannon.
Dung lƣợng kênh phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) và độ rộng băng thông của tín hiệu đƣợc xác định bằng công sau:
Trong đó C là dung lƣợng kênh còn B là băng thông.
Điều chế thích ứng đƣợc sử dụng để thay đổi các thông số điều chế thích ứng theo trạng thái kênh để đạt đƣợc dung lƣợng kênh tốt nhất trong thời điểm xét mà không làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng truyền dẫn. Vì thế cần biết cách tính toán dung lƣợng kênh theo các thông số diều chế phù hợp với tình trạng kênh ở thời điểm xét. Dƣới đây ta sẽ xét công thức để tính toán dung lƣợng kênh này.
Dung lƣợng kênh cho các hệ thống OFDM.
Thấy rõ, mức điều chế và tỷ lệ mã ảnh hƣởng lên dung lƣợng. Trong các hệ thống OFDM, do truyền dẫn song song và thời gian mở rộng định kỳ nên có nhiều thông số quyết định dung lƣợng hơn.
Bắt đầu bằng việc xét cho trƣờng hợp đơn giản với giả thiết là cấu hình các sóng mang con giống nhau, nghĩa là tất cả các sóng mang con đều có chung một cấu hình (điều chế, mã hóa, băng thông, công suất…). Khi này tốc độ bit tổng của hệ thống OFDM bằng:
Nếu gọi Rc là tỷ lệ mã, M là mức điều chế, Nsub là số sóng mang con, Tsym
là thời gian ký hiệu, B là độ rộng băng tần của tín hiệu thông tin hay số liệu, TFFT là thời gian FFT, khoảng cách sóng mang con là f=1/TFFT và FSR là tỷ số thời gian FFT và thời gian ký hiệu OFDM, tốc độ bit tổng đƣợc xác định nhƣ sau:
Từ công thức (3.18) cho thấy, đối với một sóng mang con hay một nhóm các sóng mang con, bốn thông số sau đây sẽ quyết định tốc độ bit: (1) tỷ lệ mã, (2) mức điều chế, (3) độ rộng băng và (4) FSR. Trong một hệ thống OFDM ta có thể thay đổi các thông số này để đạt đƣợc tốc độ bit tốt nhất nhƣng vẫn đảm bảo QoS cho hoàn cảnh cụ thể của kênh tại thời điểm xét.
3.5. Các nhân tố ảnh hƣởng của kênh pha đinh lên hiệu năng hệ thống OFDM và cách khắc phục OFDM và cách khắc phục
3.5.1. Ảnh hƣởng của ISI
- Nguyên nhân do tính chọn lọc của kênh pha đinh trong miền thời gian, tính phụ thuộc thời gian của kênh pha đinh, tính bất ổn định của kênh gây ra giao thoa giữa các ký hiệu ISI truyền qua nó.
- Hậu quả ISI: làm cho máy thu quyết định ký hiệu sai, khó khăn trong việc khôi phục định thời
3.5.2. Ảnh hƣởng của ICI
- ICI xảy ra do tính chọn lọc tần số của kênh pha đinh (kênh pha đinh chọn lọc tần số), nguyên nhân chính là hiện tƣợng dịch Doppler do tính di động của máy thu.
- Hậu quả là sẽ không phân biệt đƣợc ranh giới giữa các ký hiệu truyền trên các sóng mang con, dẫn đến phía thu sẽ quyết định sai ký hiệu mất tính trực giao.
Để khắc phục các ảnh hƣởng này, có nhiều cách khác nhau, nhƣ đã nói là dùng phần bảo vệ (với ISI) và tiền tố vòng (ICI)
Trong chƣơng này ta đã nghiên cứu các vấn đề sau: Nguyên lý hoạt động cơ bản của OFDM
Sơ đồ khối và hoạt động của các khối: bao gồm phân tích các phần tử của mô hình và các thông số đặc trƣng cùng dung lƣợng hệ thống OFDM
Ƣu điểm:
- Phân tích hiệu quả phổ tần vƣợt trội của OFDM.
- Loại bỏ ảnh hƣởng của ICI và ISI gây ra do pha đinh đa đƣờng, chọn lọc tần số do dùng CP.
- Dùng IFFT và FFT đơn giản phần cứng cho phát và thu. Nhƣợc điểm:
- PAPR lớn
- Nhạy với nguyên nhân gây mất đồng bộ.
Tuy nhiên ngày nay các dịch vụ băng rộng với đòi hỏi rất cao về tốc độ thì việc sử dụng công nghệ mã hóa là điều cần thiết. Vấn đề là đƣa mã STBC dùng đơn sóng mang, nhƣ thế OFDM sẽ thực hiện thế nào, sẽ phát huy ƣu điểm hay hạn chế khuyết điểm. Chƣơng tiếp theo sẽ trình bày và phân tích kỹ một số vấn đề của mã không thời gian đối với hệ thống băng rộng.
Chƣơng 4 STBC – OFDM
4.1. Giới thiệu chƣơng
Trong chƣơng 2, việc thiết kế và phân tích hiệu năng của mã không gian thời gian đã đƣợc thảo luận cho các hệ thống không dây băng hẹp, đƣợc đặc trƣng bởi kênh pha đinh phẳng không lựa chọn tần số. Gần đây, đã có sự quan tâm ngày càng tăng trong việc cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao nhƣ hội nghị truyền hình, đa phƣơng tiện, và máy tính di động trên các kênh băng rộng không dây. Trong truyền thông không dây băng rộng, chu kỳ ký hiệu ít liên quan hơn so với trải trễ của kênh, do đó, mong muốn của các tín hiệu truyền là các kênh pha đinh lựa chọn tần số. Công nghệ mã hóa không thời gian có thể đƣợc sử dụng để đạt đƣợc tốc độ dữ liệu rất cao trong các hệ thống băng rộng. Vì vậy, nghiên cứu sự ảnh hƣởng của pha đinh chọn lọc tần số trên hiệu năng của mã hóa không thời gian là vấn đề thiết yếu.
Nội dung của chƣơng này sẽ trình bày vấn đề hiệu năng của mã hóa không gian thời gian trên các kênh băng rộng không dây với pha đinh chọn lọc tần số, phân tích và đánh giá hiệu năng của mã không gian thời gian đối với hệ thống băng rộng. Mã không gian thời gian có thể đƣợc ứng dụng trong một số hệ thống băng rộng nhƣ OFDM và CDMA nhƣng trong giới hạn luận văn này chỉ trình bày các vấn đề liên quan đến hệ OFDM.
4.2. Hiệu năng của STBC trên kênh pha đinh lựa chọn tần số 4.2.1. Kênh pha đinh lựa chọn tần số 4.2.1. Kênh pha đinh lựa chọn tần số
Nhƣ đã biết, kênh pha đinh chọn lọc tần số có thể đƣợc mô hình hóa bởi đƣờng trễ phân nhánh. Đối với kênh pha đinh đa đƣờng với Lp đƣờng khác nhau, đáp ứng xung trên miền thời gian từ thời điểm t tới đƣợc biểu diễn.
ở đây biểu thị thời gian trễ của đƣờng thứ l và biểu thị biên độ phức của đƣờng thứ l.
nghĩa rộng, có nghĩa là giá trị trung bình của kênh là quá trình ngẫu nhiên độc lập về thời gian và tự tƣơng quan chỉ phụ thuộc vào hiệu số thời gian. Sau đó, có thể đƣợc mô hình hóa bởi quá trình Gauss phức và độc lập đối với các đƣờng khác nhau. Hàm tự tƣơng quan của đƣợc cho bởi công thức sau. [1].
ở đây biểu thị sự thống kê khác nhau về mặt thời gian. Nếu ta đặt
, kết quả của hàm tự tƣơng quan biểu diễn bởi là một hàm trễ theo thời gian . Thực tế, sự phân tán ở hai đƣờng khác nhau là không tƣơng quan ở hầu hết quá trình truyền vô tuyến, ta có.
ở đây biểu thị công suất ra trung bình của kênh và nhƣ là một hàm của trễ . Ta có thể giả định rằng các đƣờng khác nhau có cùng hàm tự tƣơng quan, nhƣng khác nhau về công suất trung bình. Biểu diễn công suất ra trung bình của đƣờng thứ l bởi . Ta có
ở đây, , l=1,2,3…,Lp. biểu thị tƣ liệu trễ công suất của kênh. Trải trễ của kênh đƣợc định nghĩa là.
Trong môi trƣờng truyền thông không dây, tƣ liệu trễ công suất của kênh có thể là Gauss, hàm mũ, hoặc 2 đƣờng độ lợi bằng nhau. Trƣờng hợp 2 đƣờng độ lợi, thì tƣ liệu trễ có dạng.
ở đây, là độ trễ khác nhau giữa hai đƣờng và là trải trễ. Chúng ta có thể biểu thị trải trễ khoảng ký hiệu theo công thức
4.2.2. Phân tích hiệu năng
Trong mục này, ta phân tích hiệu suất của mã không thời gian đối với kênh pha đinh đa đƣờng và pha đinh lựa chọn tần số. Trong phân tích, ta giả sử rằng trải trễ là tƣơng đối nhỏ so với độ kéo dài ký hiệu. Để đánh giá ảnh hƣởng của pha đinh lựa chọn tần số đối với hiệu suất của mã, chúng ta giả sử rằng bộ cân bằng không đƣợc sử dụng tại bộ thu.
Xem xét một hệ thống với nT anten phát và nR anten thu. Đặt
biểu thị đáp ứng xung kênh giữa anten phát thứ i và anten thu thứ j. Tại thời điểm t, tín hiệu thu ở anten j sau khi thực hiện lọc đƣợc cho bởi công thức.
Trong đó Ts là chu kỳ ký hiệu, là một mẫu độc lập của biến ngẫu nhiên Gauss phức với giá trị trung bình 0 với mật độ phổ công suất N0 và biểu diễn tín hiệu phát từ anten i, đƣợc cho bởi công thức.
Với biểu thị anten thứ i ở chu kỳ ký hiệu thứ k và g(t) là hàm tạo xung. Tín hiệu nhận có thể đƣợc chia thành 3 thành phần sau.
ở đây là thành phần biểu diễn sự can nhiễu giữa các ký hiệu (ISI), và là hằng số phụ thuộc vào tƣ liệu trễ công suất của kênh, nó có thể đƣợc tính nhƣ sau.
Đối với các giá trị khác nhau của tƣ liệu trễ công suất, giá trị của đƣợc cho bởi.
[8].
Trong đó là năng lƣợng trên mỗi ký hiệu. Để đơn giản, số hạng ISI đƣợc coi tƣơng đƣơng với biến ngẫu nhiên Gauss với giá trị trung bình 0 và phổ mật độ công suất . Ta ký hiệu tổng của nhiễu và ISI bằng .
Tín hiệu thu có thể đƣợc viết lại thành.
Với là biến ngẫu nhiên Gauss phức với giá trị trung bình 0 và phổ mật độ công suất NI+N0. Chú ý rằng nhiễu và ISI là không trực giao so với thành phần tín hiệu. Biên của xác suất lỗi từng cặp đƣợc cho bởi.
Ở đây r là bậc của ma trận từ mã, và , i=1,2,…,r là giá trị riêng khác 0 của ma trận. Từ rằng buộc trên, chúng ta có thể thấy rằng độ lợi phân tập có thể đạt đƣợc bằng các mã không thời gian trên kênh pha đinh đa đƣờng và pha đinh chọn lọc tần số thông qua rnR, giống nhƣ trên kênh pha đinh không chọn lọc tần số. Độ lợi mã hóa đƣợc cho bởi.
Độ lợi mã hóa giảm bởi thành phần so với tần số kênh pha đinh phẳng. Hơn nữa, nó chỉ ra rằng tại giá trị SNRs cao, tồn tại một tỉ lệ lỗi không tránh đƣợc.
Lƣu ý rằng các phân tích hiệu năng nói trên đƣợc thực hiện theo các giả định rằng trải trễ là nhỏ và không sử dụng bộ cân bằng tại thiết bị nhận. Khi trải trễ tƣơng đối cao, độ lợi mã hóa sẽ làm giảm đáng kể do ảnh hƣởng của ISI, và gây giảm hiệu năng. Để cải thiện hiệu năng mã qua các kênh pha đinh chọn lọc tần số, cần xử lý thêm để loại bỏ hoặc ngăn chặn tác động của ISI.
Theo Branka Vucetic and Jinhong Yuan, tác giả ”Space-time coding” [5], thì dùng mã không gian thời gian trên các kênh pha đinh chọn lọc tần số ít nhất có thể đạt đƣợc độ lợi phân tập nhƣ trên các kênh pha đinh không lựa chọn tần số và cách giải mã thu đƣợc thực hiện tại thiết bị thu. Nói cách khác, sự tối ƣu mã không thời gian trên các kênh pha đinh chọn lọc tần số có thể đạt đƣợc độ lợi phân tập cao hơn so với trên các kênh pha đinh không chọn lọc tần số. Tuy nhiên giải mã trên các kênh chọn lọc tần số sẽ phức tạp hơn, một giải pháp hợp lý để cải thiện hiệu năng của mã không thời gian trên các kênh pha đinh chọn lọc tần số là để giảm thiểu ISI. Bằng cách giảm thiểu ISI, có thể chuyển đổi các kênh chọn lọc tần số thành các kênh không chọn lọc tần số. Sau đó, áp dụng mã không thời gian cho các kênh pha đinh không chọn lọc tần số.
Một cách tiếp cận truyền thống khác để giảm thiểu ISI là sử dụng một bộ cân bằng thích nghi tại nơi nhận. Bộ cân bằng không thời gian tối ƣu có thể ngăn chặn ISI, và do đó, với các kênh pha đinh chọn lọc tần số có thể giải phóng hiện tƣợng nhiễu xuyên ký hiệu. Hạn chế chính của phƣơng pháp này là sự phức tạp ở bộ thu bởi vì bộ cân bằng đƣợc sử dụng tại nơi thu.
Một cách nữa là sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao