Theo định lý giới hạn trung tõm thỡ ảnh hưởng của ICI cú thể coi như một giỏ trị nhiễu Gauss cú giỏ trị trung bỡnh bằng khụng nếu số lượng kờnh con lớn và cỏc ký hiệu dữ liệu độc lập thống kờ với nhau. Như vậy nghĩa là ICI cú ảnh hưởng giống như với AWGN, từ đõy ta cú: E(ICI) = 0, trong đú E(.) là hàm cú tớnh thống kờ và E(Wl) = 0. Do đú theo phương trỡnh (3.31) việc ước lượng giỏ trị CPE cho ký hiệu OFDM thứ m là CPE,m cú thể được thực hiện bằng cỏch tỡm trung bỡnh giỏ trị quay pha của cỏc kờnh con trong khoảng thời thời gian một ký hiệu. Tuy nhiờn việc ước lượng CPE cú thể bị ảnh hưởng nghiờm trọng bởi cỏc lỗi được sinh ra từ cỏc
kờnh con cú tỷ số SNR thấp do cỏc đỉnh phổ trong trong đỏp ứng xung kờnh Hl. Vỡ vậy ta chỉ lựa chọn cỏc kờnh con cú | Hl | ở trờn một ngưỡng xỏc định và gọi tập hợp cỏc kờnh con này là d |0, .., N-1|.
Thuật toỏn CPEC được mụ tả như trờn hỡnh 3.16. Xột ký hiệu OFDM thứ m ở đầu ra bộ cõn bằng tần số Yˆm,l, ký hiệu này sau khi qua bộ lựa chọn kờnh sẽ được cho qua bộ làm bằng. Nếu cú Nd kờnh con được lựa chọn để ước lượng CPE thỡ giỏ trị ước lượng CPE cho ký hiệu này sẽ là:
1 0 , , , 1 N ( ~ ) d l l l m l m d m CPE Y Y N (3.32)
Ảnh hưởng của CPE sẽ được loại bỏ bằng cỏch nhõn tớn hiệu Yˆm,l với
m CPE
j e ˆ ,
, với 0 ≤ l ≤ N-1. Như vậy là CPE của ký hiệu dữ liệu đầu ra bộ cõn bằng tần số đó được ước lượng, mặc dự cú thay đổi chậm nhưng giỏ trị CPE của cỏc ký hiệu khỏc nhau vẫn cú sự biến đổi. Quỏ trỡnh ước lượng kờnh cho bộ cõn bằng tần số thường được thực hiện ở thời điểm bắt đầu của khung dữ liệu và giữ nguyờn cho đến khi cú một ký hiệu huấn luyện mới được truyền.
Nếu trong khung dữ liệu chứa ký hiệu huấn luyện cú giỏ trị liờn quan đến
t
N CPE,
ˆ
thỡ giỏ trị ước lượng pha của kờnh CNt,lsẽ được bự lại bởi một giỏ trị xấp xỉ bằng ˆCPE,Nt.Tất cả ước lượng CPE cho cỏc ký hiệu tiếp theo sẽ chịu ảnh hưởng bởi sự dịch tần gõy ra do bộ cõn bằng trong miền tần số (tức là tổng ước lượng CPE cho cỏc ký hiệu tiếp theo sẽ là ˆCPE,m+ ˆCPE,Nt), giỏ trị này sẽ càng lớn dần và gõy ra hiện tượng chồng pha. Để loại bỏ ảnh hưởng của ˆCPE,Ntđối với cỏc ký hiệu tiếp theo ta sử dụng một bộ lọc trung bỡnh động đơn giản cú chiều dài N chứa cỏc giỏ trị ước lượng CPE của ký hiệu trước đú (nghĩa là CPEm CPE,m1 CPE,mN
, ˆ ,..,ˆ ). Giỏ
trị đầu ra của bộ lọc
m CPE,
được sử dụng để thay đổi gúc pha của bộ cõn bằng tần số đối với cỏc ký hiệu tiếp theo m > Nt. Chỳng ta gọi giỏ trị này là hệ số hiệu chỉnh hồi tiếp FBCF (Feed Back Corection Factor).
1 0 , , 1 , C C l N m CPE l m l m
Thuật toỏn CPEC cú thể đƣợc tổng kết theo cỏc bƣớc nhƣ sau:
1. Lựa chọn tập cỏc kờnh con (d) cú tỷ số SNR trờn một ngưỡng xỏc định. 2. Tớnh CPE,mbằng cỏch tỡm giỏ trị trung bỡnh của N ước lượng CPE trước đú. 3. Sử dụng
m CPE,
cho ký hiệu m để chỉnh sửa hệ số gúc pha của bộ cõn bằng tần số. Điều này sẽ làm cho bộ cõn bằng tần số cú khả năng bỏm sỏt với lỗi pha chung.
4. Sử dụng sai khỏc pha giữa Yˆm,d và Y~m,d để ước lượng CPE,CPE,m. Sử dụng giỏ trị ước lượng này để hiệu chỉnh CPE.
5. Đưa ˆCPE,mqua một bộ lọc trung bỡnh động cú chiều dài Nđể tớnh ˆ , 1
m CPE
Hỡnh 3.16 minh hoạ thuật toỏn CPE. Ưu điểm chớnh của thuật toỏn này là cấu trỳc đơn giản và phụ thuộc ớt vào tớnh toỏn ước lượng. Giả thiết việc xỏc định gúc pha của một số phức được thực hiện thụng qua tỡm bảng thỡ quỏ trỡnh xử lý ước lượng CPE đối với mỗi ký hiệu OFDM sẽ cần Nd phộp trừ, (Nd - 1) phộp cộng và một phộp chia như trong phương trỡnh (3.32), cần (N - 1) phộp cộng và một phộp chia để tớnh toỏn
m CPE,
, cần N phộp cộng để điều chỉnh cỏc gúc pha của bộ FEQ.
3.4.3. Kết quả đạt đƣợc khi ỏp dụng phƣơng phỏp CPEC
Xột một hệ thống truy nhập vụ tuyến băng rộng cố định (BFWA) sử dụng cho cỏc dịch vụ phõn tỏn đa điểm và đa kờnh. Giả thiết hệ thống sử dụng mụ hỡnh kờnh SUI (Standford University Interim) và kờnh cú phõn bố biờn độ là Rice hoặc Reyleigh, kờnh được gió thiết là quỏ trỡnh dừng theo nghĩa rộng và tỏn xạ khụng tương quan (WSSUS), kờnh cú đỏp ứng xung j i
i
i e
h , trong đú biờn độ i và pha
i được lựa chọn độc lập với nhau
Mụ hỡnh kờnh SUI phự hợp với địa hỡnh cú cõy cối thấp và cú cỏc thụng số kỹ thuật: an ten cú độ định hướng 30o ở SU và 120o ở BS, giỏ trị trễ RMS của kờnh là 0,2s.
Xột cỏc hệ thống OFDM với N=64, 128, 256 và tốc độ lấy mẫu là 20MHz, khoảng bảo vệ bằng 20 xung, vỡ thế khoảng cỏch tần số giữa cỏc súng mang con lần lượt xấp xỉ là 312 KHz, 156 KHz, 78 KHz.
Sử dụng phương phỏp điều chế QPSK cho tất cả cỏc kờnh con, gúi dữ liệu được truyền đi gồm 32.000 bớt với thời gian truyền nhỏ hơn 10ms và kờnh được gió thiết là cố định trong khoảng thời gian truyền gúi tin. Mỗi điểm dữ liệu trong cỏc kết quả mụ phỏng đạt được từ trung bỡnh khoảng 750 gúi dữ liệu. Tỷ số tớn hiệu trờn nhiễu SNR nhận được khi chịu tỏc động của nhiễu AWGN được đặt bằng 20dB cho tất cả cỏc mụ phỏng, chiều dài bộ đệm hồi tiếp N=2
Hỡnh 3.17. Kết quả hiệu chỉnh CPE với b=4, fh=100kHz.
Hỡnh 3.17 biểu diễn cỏc kết quả mụ phỏng sử dụng thuật toỏn CPEC với N=64, 128, 256, cỏc tham số nhiễu pha fh=100 kHz và b=4. Đường cong trờn đồ thị biểu diễn tỷ số tớn hiệu trờn nhiễu pha SPNR (hay là 1/2
), giỏ trị phương sai nhiễu pha được thiết lập sử dụng cỏc tham số a và c.
Ta cú thể thấy với hệ thống cú N=64 thỡ thuật toỏn CPEC đạt được độ cải thiện là 6dB với BER = 10-5 so với hệ thống khụng sử dụng CPEC. Hiệu suất hoạt động sẽ bị suy giảm khi tăng N, vớ dụ với N=256 thỡ độ cải thiện giảm xuống chỉ cũn 3dB. Điều này được giải thớch là do giỏ trị phương sai CPE sẽ giảm khi tăng N. Khả năng cải thiện sẽ rất nhỏ khi SPNR vượt quỏ 20dB do AWGN sẽ trở nờn vượt trội so với nhiễu pha. Cần phải chỳ ý là với mụ hỡnh kờnh SUI đó được lựa chọn tỷ lệ SNR=20dB (chỉ cú nhiễu AWGN) và tỷ số BER nhiễu nền là khoảng 10-7. Rừ ràng là nếu SNR cao hơn thỡ sự cải thiện do CPEC cũng sẽ được tăng lờn ương ứng
Hỡnh 3.18. Kết quả hiệu chỉnh của cỏc thành phần CPE với N=64, b=4, fh=100kHz
Hỡnh 3.18 chỉ ra hiệu quả hoạt động của cỏc thành phần trong thuật toỏn CPE đối với một hệ thống OFDM cú N=64, cỏc tham số nhiễu pha b=4, fh=100kHz. Nếu chỉ sử dụng CPESE riờng lẻ thỡ hiệu quả đạt được là 2dB ở mức BER=10-5, cũn nếu sử dụng cả CPESE và FBCF thỡ hiệu quả đạt được là 6dB, trường hợp chỉ sử dụng FBCF thỡ cũng đạt được mức gần 6dB.
Hỡnh 3.19. Kết quả hiệu chỉnh của cỏc thành phần CPE với N=256, b=4, fh=100kHz
Hỡnh 3.19 chỉ ra hoạt động của một hệ thống với N=256 trong cựng điều kiện như cỏc hệ thống ở trờn. Với mức BER=10-5, nếu chỉ sử dụng CPESE thỡ hiệu quả đạt được là 1.8dB trong khi nếu chỉ sử dụng FBCF thỡ hiệu quả đạt được chỉ là 0.5dB, nếu kết hợp cả hai thỡ đạt được 3dB.
Điều này cú thể được giải thớch là với hệ thống cú N=64 thỡ CPESE thay đổi chậm hơn nhiều so với N=256. Vỡ thế khi N=64 thỡ FBCF cú thể kộo CPESE nờn hiệu suất giảm mộo của CPE được thực hiện chỉ với FBCF. Tuy nhiờn khi N=256 thỡ CPESE thay đổi rất nhanh nờn FBCF rất khú bỏm theo, vỡ vậy mộo CPE mà được hiệu chỉnh bởi FBCF sẽ giảm xuống.
3.5. Kết luận
Nhiễu pha là một trong những vấn đề quan trọng nhất quyết định đến chất lượng của hệ thống OFDM. Nhiễu pha được phõn thành hai loại là nhiễu pha chung và nhiễu liờn kờnh, mỗi loại đều cú cỏc phương phỏp giảm nhiễu riờng, việc lựa chọn sử dụng phương phỏp nào phụ thuộc vào nhiều yếu tố khỏc nhau như: yờu cầu về hiệu suất sử dụng băng tần, yờu cầu về độ phức tạp của hệ thống, yờu cầu về tốc độ truyền dẫn …. Cụ thể như sau:
- Phương phỏp SC: cú ưu điểm là đơn giản trong tớnh toỏn, cho kết quả tốt khi độ dịch tần tiờu chuẩn nhỏ và hệ thống sử dụng cỏc phương phỏp điều chế đơn giản. Tuy nhiờn phương phỏp này lại làm giảm hiệu suất sử dụng băng tần đi một nữa và cú ớt tỏc dụng khi độ dịch tần tiờu chuẩn tăng lờn và hệ thống sử dụng cỏc phương phỏp điều chế nhiều mức.
- Phương phỏp ML: phương phỏp này cũng cú hạn chế giống phương phỏp SC vỡ làm giảm hiệu suất sử dụng băng tần nhưng lại cải thiện được tham số BER khi tăng lờn và hệ thống sử dụng cỏc phương phỏp điều chế nhiều mức do phương phỏp này cú thể ước lượng được giỏ trị dịch tần tương đối chớnh xỏc. Ngoài ra nú cú nhược điểm là yờu cầu về cỏc tớnh toỏn trong hệ thống phức tạp hơn đối với phương phỏp SC.
- Phương phỏp EKF: Phương phỏp này cú ưu điểm là khụng làm giảm hiệu suất phổ của hệ thống do thực hiện việc ước lượng độ dịch tần thụng qua cỏc ký hiệu Pilot. Tuy nhiờn yờu cầu về độ phức tạp của hệ thống lại cao hơn so với hai phương phỏp SC và ML
+ Đối với nhiễu pha chung CPE:
- Phương phỏp giảm nhiễu bằng hồi tiếp CPEC: phương phỏp này cú cấu trỳc và tớnh toỏn đơn giản, khụng sử dụng cỏc tớn hiệu Pilot nờn làm tăng hiệu suất phổ. Việc ứng dụng phương phỏp này sẽ cho phộp sử dụng được cỏc bộ tạo dao động cú độ ổn khụng cao tại cỏc thiết bị đầu cuối khỏch hàng mà vẫn đảm bảo được chất lượng hệ thống, nhờ vậy sẽ giảm được giỏ thành của thiết bị.
KẾT LUẬN
Luận văn đó nghiờn cứu một cỏch tổng quan về cỏc điểm cơ bản nhất cấu thành nờn một hệ thống OFDM: nguyờn lý điều chế đa súng mang trực giao, mụ tả toỏn học quỏ trỡnh điều chế OFDM bằng phộp biến đổi FFT/IFFT, sơ đồ khối của một hệ thống OFDM điển hỡnh, cỏc hệ thống ứng dụng kỹ thuật OFDM, cỏc nguyờn nhõn cơ bản làm ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống OFDM và cỏc phương phỏp kỹ thuật tương ứng để giải quyết cỏc vấn đề này.
Nội dung quan trọng nhất mà đề tài đó thực hiện là phõn tớch cỏc nguyờn nhõn gõy ra nhiễu pha trong hệ thống OFDM, phõn loại nhiễu pha, cỏc phương phỏp để giảm thiểu cỏc loại nhiễu pha tương ứng và so sỏnh ưu nhược điểm giữa cỏc phương phỏp:
- Đối với nhiễu ICI bao gồm cỏc phương phỏp: điều chế tự loại trừ SC, ước lượng giỏ trị xỏc suất cực đại ML, bộ lọc Kalman mở rộng EKF.
- Đối với nhiễu pha chung CPE: sử dụng phương phỏp hồi tiếp.
Qua phõn tớch về lý thuyết, kết quả thu được thụng qua mụ phỏng bằng Matlab cho thấy trong cỏc phương phỏp giảm nhiễu ICI: mỗi một phương phỏp đều cú những ưu điểm riờng, phự hợp với từng điều kiện và yờu cầu khỏc nhau của từng hệ thống. Việc lựa chọn sử dụng phương phỏp nào phụ thuộc vào cỏc yếu tố như: yờu cầu về hiệu suất sử dụng băng tần, yờu cầu về độ phức tạp của hệ thống, yờu cầu về tốc độ truyền dẫn ….
Cũn đối với phương phỏp giảm nhiễu CPE bằng hồi tiếp, kết quả đạt được là rất thực tế. Nếu sử dụng phương phỏp này sẽ cho phộp sử dụng được cỏc bộ tạo dao động cú độ ổn khụng cao tại cỏc thiết bị đầu cuối khỏch hàng mà vẫn đảm bảo được chất lượng hệ thống, nhờ vậy sẽ giảm được giỏ thành của thiết bị đầu cuối.
Trờn cơ sở kết quả thu được ở đề tài này, trong thời gian tới Tỏc gió sẽ tiếp tục nghiờn cứu cỏc vấn đề sau:
- Nghiờn cứu việc kết hợp cỏc phương phỏp giảm nhiễu ICI đơn lẻ thành một phương phỏp tổng hợp để đạt được hiệu quả cao nhất.
- Nghiờn cứu việc kết hợp giữa cỏc phương phỏp giảm nhiễu pha và cỏc phương phỏp điều chế thớch nghi.
- Tiếp tục nghiờn cứu phương phỏp giảm nhiễu pha chung bằng hồi tiếp trong cỏc ứng dụng khỏc và xõy dựng cỏc chương trỡnh mụ phỏng tương ứng bằng Matlab.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng việt
[1] Cheng-Xiang Wang, Nguyễn Văn Đức (2004), “Bộ sỏch kỹ thuật thụng tin số”, “Tập 1: Cỏc bài tập Matlab về thụng tin vụ tuyến”, Nhà xuất bản KHKT Hà Nội.
[2] Nguyễn Ngọc Tiến (2003), “Một số vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM”,
Tạp chớ Bưu chớnh Viễn thụng.
[3] Nguyễn Văn Đức (2006), “Bộ sỏch kỹ thuật thụng tin số”, “Tập 2: Lý thuyết và cỏc ứng dụng của kỹ thuật OFDM”, Nhà xuất bản KHKT Hà Nội.
Tiếng Anh
[4] Ahmad R.S. Bahai, Burton R. Saltzberg, Mustafa Ergen, (2006) “Multicarrier Digital Communications Theory And Applications of OFDM”. [5] Arvind Kumar, Rajoo Pandey (2003), “An Improved ICI Self-Cancellation
Scheme for Multicarrier Communication Systems”, International Journal of Computer Science and Engineering, vol.2, no.1.
[6] Armstrong (1999) “Analysis of new and existing methods of reducing intercarrier interference due to carrier frequency offset in OFDM,” IEEE Transactions on Communications, vol. 47, no. 3, pp. 365 – 369.
[7] Eric Lawrey (1997), “The Suitability of OFDM as a Modulation Technical for Wireless Telecommunications, with a CDMA Comparison”.
[8] Gibeom Kim, Taekhyun Kim, Guruprasad K. Subbaraman (2003), “Comparison of Sub-carrier Spacing Schemes for a 60 GHz OFDM System” [9] http://www.ist-broadway.org
[10] Mihir Anandpara, Elmustafa Erwa, James Golab, Roopsha Samanta, Huihui Wang (2003), “ICI Cancellation For OFDM Systems”.
[11] Mohamed Marey, Mamoun Guenach and Heidi Steendam (2007), “Soft Information Aided Phase Noise Correction for OFDM Systems”.
[12] Roberto Corvaja, Silvano Pupolin (2003), “Phase Noise Limits in OFDM Systems”.
[13] P.H. Moose, “A Technique for Orthogonal Frequency Division Multiplexing Frequency Offset Correction,” IEEE Transactions on Communications, vol. 42, no. 10, October 1994.
[14] Y. Zhao and S. Họggman, “Intercarrier interference self-cancellation scheme for OFDM mobile communication systems,” IEEE Transactions on Communications, vol. 49, no. 7, pp. 1185 – 1191, July 2001.
[15] V.S.Abhayawardhana,I.J. Wasseil (2006), “Common Phase Error Correction with Feedback for OFDM in Wireless Communication”.
[16] Zi-wei Zheng, Zhi-Xing Yang, Yi-Sheng (2005), “Phase Error Correction for OFDM-Based WLANs”.
PHỤ LỤC
% Chuong trinh mo phong he thong OFDM khi chua su dung cac phuong phap giam nhieu (final_simulator.m)
% Tao luong bit dau vao
input_bit_stream = sign(randn(1,BPS*NS)); input_bit_stream(input_bit_stream == -1) = 0; % Bien doi SP
disp('Serial to Parallerl Conversion')
parallel_data = StoP(input_bit_stream, log2(M)); % Thuc hien dieu che
disp(['Modulating with ' modulation ' and ' num2str(M) '-ary Alphabet']) modulated_data = dmodce(parallel_data, 1, 1, modulation, M);
% Tao cac ky hieu OFDM
disp('Transmitting OFDM symbols') for ll= 1:length(ep) for l=1:length(EsNo) k = 1; for n = 1:NS ofdm_symbol = zeros(1,ifftsize); ofdm_symbol(carriers) = modulated_data(k:k+51); tx_signal = ifft(ofdm_symbol,ifftsize);
% Dich tan Doppler
rx_signal = tx_signal.*exp((j*pi*ep(ll)/ifftsize)*(0:ifftsize-1)); noise =
sqrt(1/(2*log2(M)*10^(EsNo(l)/10)))*(randn(1,64)+j*randn(1,64)); rx_signal = rx_signal + noise;
% Thuc hien bien doi FFT
received_ofdm = fft(rx_signal, ifftsize);
% Tach du lieu tu cac song mang vao ky hieu OFDM received_symbols(k:k+51) = received_ofdm(carriers); k = k + 52;
end
% Thuc hien giai dieu che
disp('Performing Demodulation')
received_data = ddemodce(received_symbols, 1, 1, modulation, M); %Bien doi PS
disp('Performing Parallel to Serial Converion') output_bit_stream = PtoS(received_data, log2(M)); % Tinh BER disp('Calculating BER ') BER(ll,l)= sum(xor(input_bit_stream,output_bit_stream))/length(input_bit_stream); end end
% Chuong trinh mo phong phuong phap SC (final_simulator_sc.m) % Tao luong bit dau vao
input_bit_stream = sign(randn(1,BPS*NS)); input_bit_stream(input_bit_stream == -1) = 0; % Bien doi SP
disp('Serial to Parallerl Conversion')
parallel_data = StoP(input_bit_stream, log2(M)); % Thuc hien dieu che
disp(['Modulating with ' modulation ' and ' num2str(M) '-ary Alphabet']) modulated_data = dmodce(parallel_data, 1, 1, modulation, M);
% Tao cac ky hieu OFDM
disp('Transmitting OFDM symbols') odd_carriers = carriers(1:2:52); even_carriers = carriers(2:2:52); for ll= 1:length(ep)
for l=1:length(EsNo) k = 1; for n = 1:NS ofdm_symbol1 = zeros(1,ifftsize); ofdm_symbol2 = zeros(1,ifftsize); % MAP to carriers ofdm_symbol1(odd_carriers) = modulated_data(k:k+25); ofdm_symbol1(even_carriers) = -modulated_data(k:k+25); ofdm_symbol2(odd_carriers) = modulated_data(k+26:k+51); ofdm_symbol2(even_carriers) = -modulated_data(k+26:k+51); % Time Signal to transmit