Đểđạt được hình bao cố định của tín hiệu dẫn đường phát (pilot), Cioffi và Bingham đã sử dụng chuỗi luyện tập sau:
[ ] . j n N2/ , 0,... 1
X n =A eπ n= N− (4.13)
Với A là biên độ của các chuỗi luyện tập. Chuỗi luyện tập này có điểm đặc biệt là biến đổi ngược Fourier nhanh của nó là một chuỗi chirp với biên độ không đổi [8]. Do vậy tín hiệu phát pilot có được một tỉ số công suất đỉnh – trung bình là một như mong muốn trong miền thời gian. Để tăng hiệu năng ước lượng kênh của hệ OFDM, khi có xuyên nhiễu giữa các ký hiệu, Kim và Stuber [22] đã biến chuỗi luyện tập này theo cách chèn không vào các sóng mang con có chỉ số lẻ như sau:
[ ] . 2/ 0 j n N N M A e n X n n π ⎧ ∈ ⎪ = ⎨ ∈ ⎪⎩ (4.14)
Với N M, là tập hợp chỉ số chẵn chỉ số lẻ của sóng mang con tương ứng. Bằng cách tương tự, phép biến đổi của các chuỗi luyện tập trong miền thời gian có thêm tính chất đặc biệt đó là sự trùng lặp giữa nửa đầu với nửa sau của chuỗi (sự giống nhau gần như tuyệt đối), trong khi tỉ số công suất đỉnh – trung bình vẫn giữ nguyên. Trong vấn đề chúng ta đang nghiên cứu, chuỗi luyện tập được sử dụng với bộ ước lượng bình
phương nhỏ nhất cho hệ MIMO-OFDM. Tuy nhiên bộ ước lượng bình phương nhỏ nhất cho hệ MIMO-OFDM cần phải thực hiện phép tính ma trận đảo trong công thức (4.12), trong khi bộ ước lượng bình phương nhỏ nhất cho hệ OFDM thì chỉ cần thực hiện phép chia các ký hiệu luyện tập thu được từ các ký hiệu được phát [7]. N cột đầu tiên của ma trận Q (theo công thức (4.10)) thu được nhờ các phép nhân giữa ma trận chéo diag X{ }G0 - ma trận có các thành phần chéo là các ký hiệu luyện tập của anten phát đầu tiên - với ma trận FL. Với cách tương tự, ta có được N cột tiếp theo của ma trận Q (theo công thức (4.10)). Như vậy, nếu chuỗi luyện tập trong công thức (4.14) được áp dụng cho tất cả các anten phát, và sau đó ma trận Q QH là kỳ dị, thì phương pháp bình phương nhỏ nhất không thể thực hiện cho ước lượng kênh trong hệ thống. Vấn đề này có thể loại trừ bằng cách sử dụng các chuỗi luyện tập sau:
[ ] ( ( )) 2 2 / 2 . / 2 / . 0 T j n p N N N p N M A e n X n n π + ⎢⎣ ⎥⎦ ⎧⎪ ∈ = ⎨ ∈ ⎪⎩ (4.15)
Trong đó, phép toán ⎢ ⎥⎣ ⎦x cho số nguyên lớn nhất có thể, bé hơn hoặc bằng x. Chú ý, các chuỗi luyện tập cho mỗi anten phát là khác nhau, nhưng mọi đặc tính của chúng vẫn được giữ nguyên. Hình 4.2 minh họa cho ví dụ các chuỗi luyện tập này trong hệ 2 anten phát và 64 sóng mang con. Chúng ta có thể thấy rằng chuỗi luyện tập của anten thứ hai là phiên bản dịch trái từ chuỗi luyện tập của anten thứ nhất với
( )
/ 2 T 16
N N =
⎢ ⎥
⎣ ⎦ mẫu. Nhìn chung, chuỗi luyện tập của anten thứ p thu được từ việc
Hình 4.2: Các chuỗi luyện tập cho hệ MIMO-OFDM 2 anten phát và 64 sóng mang con.
Ứng dụng của bộ ước lượng kênh trong hệ MIMO-OFDM được thể hiện trong hình 4.1(b). Bộước lượng kênh có cấu trúc được minh họa trong hình 4.3. Sau khi loại bỏ khoảng bảo vệ, chuỗi luyện tập nhận được đưa tới bộước lượng kênh và các chuỗi dữ liệu hữu ích được chuyển tới khối biến đổi Fourier nhanh. Trong bộ ước lượng kênh đề xuất, nửa đầu của chuỗi luyện tập sẽ bị tách bỏ, vì phần này thực hiện vai trò khoảng bảo vệ cho các chuỗi luyện tập. Điều này khá mạo hiểm, nếu trễ truyền cực đại của một kênh lớn hơn độ dài khoảng bảo vệ của hệ thống. Nửa đầu của chuỗi vẫn khôi phục lại được bằng cách sao chép nửa sau trong tiến trình kế tiếp. Với việc ứng dụng phương pháp này, mặc dầu hệ thống chịu ảnh hưởng từ xuyên nhiễu giữa các ký hiệu (ISI), nhưng bộước lượng kênh thì không hề bị ảnh hưởng. Chuỗi luyện tập được khôi phục cần phải được biến đổi sang miền tần số trước khi đưa đến bộ ước lượng bình phương nhỏ nhất.
Dưới đây là các ưu điểm có được khi ứng dụng phương pháp ước lượng này. - Tín hiệu luyện tập được phát trong miền thời gian có hệ sốđỉnh bằng 1. - Các nguồn nhiễu gây méo không hềảnh hưởng tới việc ước lượng kênh.
- Các vấn đề gây ra bởi tình trạng khó khăn do tích ma trận Q QH được sử dụng trong phương pháp bình phương nhỏ nhất có thể tránh được.
Tuy nhiên, phương pháp ước lượng kênh còn một số nhược điểm sau:
- Để phát các chuỗi luyện tập đề xuất, ký hiệu pilot OFDM phải được dùng lại toàn bộ cho quá trình truyền chuỗi luyện tập. Ký hiệu pilot OFDM được xem như một ký hiệu OFDM tại vị trí của chuỗi luyện tập.
- Nhiễu gây méo bị ngăn chặn bởi khả năng sao chép nửa sau của chuỗi luyện tập thu được trong miền thời gian. Tuy nhiên, việc này lại tạo nên phương sai của nhiễu cộng tính trong miền tần số trong toàn bộ chỉ số sóng mang con chẵn hai lần (xem chứng minh trong phụ lục). Nếu chúng ta không để ý tới nhiễu này, thì lỗi bình phương trung bình (MSE) của kênh được ước lượng bị tăng lên hai lần (3dB).
CHƯƠNG 5: Kết quả mô phỏng.
Để thực hiện mô phỏng, các thông số hệ thống MIMO-OFDM được chọn tương tự với nghiên cứu HiperLAN/2 [11]. Một số thông số quan trọng được liệt kê dưới đây. - Độ rộng băng thông của hệ thống: B = 20 Mhz.
- Chu kỳ lấy mẫu: Ta = 1 / B = 50 ns. - Kích thước bộ biến đổi Fourier nhanh: N = 64.
- Thời khoảng ký hiệu OFDM: TS = N.Ta = 3.2 μs.
Hệ thống không sử dụng khoảng bảo vệ, và tần số sóng mang fc = 5 GHz. Hệ gồm hai anten phát và hai anten thu. Mô phỏng kênh con cho từng tuyến truyền dựa trên cơ sở môi trường kênh trong nhà thông thường. Bởi vậy, độ dài đáp ứng kênh trong miền thời gian L bằng 9 mẫu. Mỗi kênh con được mô hình hóa theo phương pháp Monte Carlo [28] [16]. ( ) [ ] (2 , , , , , ,) ( ) , 1 1 1 , p q k l p q k l . L M j f t p q k k k l h t k e M π θ τ ρ + δ τ τ = = = ∑ ∑ − (5.1) Với ( ) , , , ,maxsin 2 , , , p q k l d p q k l f = f πu ; θp q k l, , , =2πup q k l, , , và M được gọi là phân tập tần số Doppler; pha Doppler và số các hàm điều hòa tương ứng. Độ trễ truyền τk liên quan tới đường truyền của kênh thứk. Các đại lượng up q k l, , , là các biến ngẫu nhiên độc lập, ứng với mỗi phân bốđều trong dải (0,1], với mọi p = 0, 1,..., NT - 1; q = 0, 1,..., NR - 1;
k = 0, 1,..., L; và l = 0, 1,..., M; chúng được phát ra độc lập cho từng kênh con. Tần số Doppler cực đại fd,max được chọn là 50 Hz, phù hợp với vận tốc di chuyển 3 m/s. Số lượng các hàm điều hòa Mđược chọn là 40. Trong công thức (5.1), các hệ số mô tảđa đường rời rạcρ[ ]k của kiểu kênh sử dụng được lấy từ tài liệu [11], với bảng trích dẫn dưới đây. Chỉ sốđường k Trễ truyền k τ (ns) Công suất đường [ ]k ρ (lin.) 1 0 1.0000
2 50 0.6095 3 100 0.4945 4 150 0.3940 5 200 0.2371 6 250 0.1900 7 300 0.1159 8 350 0.0699 9 400 0.0462 Bảng 5.1: Dữ liệu kênh đa đường rời rạc.
Phương thức điều chế cho các kênh con là QASK (Khóa dịch biên cầu phương – Quadrature Amplitude Shift Keying). Hiệu năng của phương pháp ước lượng kênh đề xuất được đánh giá bằng phương pháp lỗi bình phương trung bình (MSE) cho kênh được ước lượng.
( ) ( ) 1 0 1 NR ˆ H ˆ q q q q q R MSE E h h h h N − = ⎡ ⎤ = ⎢ − − ⎥ ⎣ ⎦ ∑ G G G G (5.2) Với hˆq G
và hGq là các vector đáp ứng kênh đã ước lượng và vertor đáp ứng kênh trong miền thời gian tương ứng. Chương trình được xây dựng dưới dạng “m file” dùng phần mềm Matlab, trên cơ sở tham khảo chương trình trong tài liệu [24]. Các kết quả mô phỏng trong hình 5.1 biểu thị so sánh MSE của kênh đã ước lượng bằng phương pháp đề xuất và phương pháp ước lượng bình phương nhỏ nhất thông thường trong tài liệu [10]. Các chuỗi luyện tập được sử dụng trong bộ ước lượng bình phương nhỏ nhất thông thường có biên độ không đổi và pha ngẫu nhiên. Ta có thể thấy rằng, phương pháp đề xuất thực hiện tốt hơn bộước lượng LS thông thường theo phương pháp MSE lớn hơn 20 dB và SNR cao hơn 35 dB. Tuy nhiên, phương pháp đề xuất làm tăng các thành phần nhiễu cộng tính lên tất cả các kênh sóng mang con. Hiệu ứng này được giải thích trong phụ lục, và ta cũng có thể thấy trên quá trình thực hiện mô phỏng, trong trường hợp nhiễu cộng tính trội hơn nhiễu sẽ gây méo trong hệ thống.
Hình 5.1: Hiệu năng ước lượng kênh của phương pháp đề xuất.
Hiệu năng của hệ thống xét trên khía cạnh tỉ lệ lỗi ký hiệu (SER) giữa phương pháp đề xuất với phương pháp dùng ước lượng bình phương nhỏ nhất thông thường được biểu diễn trên biểu đồở hình 5.2.
Ước lượng kênh LS thông dụng, không dùng GI Ước lượng kênh đề xuất, không dùng khoảng bảo vệ Ước lượng kênh LS thông dụng, với GI đủ dài
SNR (dB)
Các kết quả cho trường hợp độ dài khoảng bảo vệ phù hợp, (không bị méo do can nhiễu) cũng được trình bày để tham khảo. Chúng ta có thể thấy, phương pháp đề xuất cho kết quả tốt hơn một chút so với phương pháp bình phương nhỏ nhất thông thường khi không bị méo do can nhiễu. Nhưng đó không phải là cách so sánh đầy đủ với trường hợp có độ dài khoảng bảo vệ phù hợp, vì trên thực tế méo do can nhiễu vẫn tồn tại trong các ký hiệu dữ liệu thu được. Do đó cần phải có bộ khử nhiễu hợp lý.
KẾT LUẬN
Chúng ta cũng có thể cảm nhận được tốc độứng dụng công nghệ và phát triển dịch vụ mới trong thông tin vô tuyến rất mạnh mẽ; đặc biệt nhấn mạnh là “truy nhập vô tuyến đa dịch vụ băng thông rộng”, đây là tương lai phát triển dịch vụ truyền thông vô tuyến đa phương tiện băng thông rộng với đặc điểm nổi bật: mức độ tin cậy cao, tính bảo mật thông tin được cải thiện, đáp ứng khả năng di động và sự linh hoạt trong nhiều ứng dụng.
Sự ra đời của kỹ thuật OFDM trong những năm 60, đã đánh dấu một bước ngoặt lớn trong thông tin vô tuyến. Nguyên tắc cơ bản của OFDM là chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều dòng dữ liệu có tốc độ thấp hơn, chúng được truyền đồng thời trên các sóng mang con. Do truyền tốc độ thấp trên nhiều sóng mang nên chu kỳ của một ký hiệu OFDM sẽ tăng và trễ trải đa đường sẽ giảm. Nhiễu giữa các ký hiệu ISI sẽ bị triệt khi dùng các khoảng bảo vệ thích hợp trong mỗi ký hiệu OFDM. Kỹ thuật OFDM kết hợp với các phương thức mã kênh truyền đã tạo ra kỹ thuật COFDM. Kỹ thuật này với những tính năng vượt trội đã được ứng dụng rộng dãi trong lĩnh vực phát quảng bá như phát thanh số DAB, truyền hình số mặt đất DVB-T. Những ưu điểm nổi bật của kỹ thuật OFDM gồm: Đáp ứng được nhu cầu truyền thông tốc độ cao với khả năng kháng nhiễu tốt trên kênh fading chọn lọc tần số. Tính phân tập tần số cao. Hiệu suất sử dụng phổ cao. Tính đơn giản, hiệu quả khi thực thi hệ thống. Bên cạnh những ưu điểm đạt được thì kỹ thuật OFDM cũng tồn tại một số nhược điểm mà điển hình trong đó là: tỷ số công suất cực đại trên công suất trung bình cao và hệ thống rất nhạy với độ dịch tần, do vậy đòi hỏi quá trình đồng bộ rất nghiêm ngặt. Hai nhược điểm này là hai thách thức lớn đối với việc thiết kế hệ thống.
Trong những năm gần đây, một hệ truyền thông mới cũng cho phép tăng dung năng kênh đáng kể, đó là hệ đa anten phát đa anten thu được gọi tắt là MIMO. Dựa trên nguyên tắc phân tập không gian, trong môi trường giàu phân tán Rayleigh, hệ MIMO có hiệu suất sử dụng phổ rất cao. Ngoài ra, dung lượng kênh của hệ MIMO tăng đáng kể
phát được tách thành N dòng số liệu riêng biệt có tốc độ thấp hơn (N là số anten phát). Mỗi một dòng số liệu có tốc độ thấp sẽđược điều chế vào các ký hiệu của kênh truyền. Các dòng số liệu lúc này có tốc độ chỉ bằng 1/N tốc độ dòng số liệu ban đầu, được phát đồng thời, khi đến M anten thu không tương quan vì vậy kênh truyền giàu tính phân tán. Ở các hệ truyền thống thì sự tổ hợp N tín hiệu tại máy thu bị xem là can nhiễu. Tuy nhiên, hệ MIMO đã lợi dụng hiện tượng này để tăng dung lượng và chất lượng của hệ. Hệ
MIMO có thể làm tăng đáng kể dung lượng kênh truyền và vượt qua khỏi giới hạn của Shannon. Tuy nhiên, dung lượng kênh truyền còn phụ thuộc vào cấu trúc hệ thống phát, thu và các thuật toán xử lý.
Với nhiều ưu điểm nổi trội, và tính chất tương hỗ; một kiến trúc truyền thông vô tuyến thế hệ mới ra đời, nhằm kết hợp sức mạnh giữa kỹ thuật OFDM với hệ MIMO, và định hướng phát triển cho truyền thông vô tuyến băng thông rộng; đó là hệ truyền thông MIMO-OFDM. Chương 3 trình bày những đặc điểm cơ bản của hệ MIMO- OFDM, với 3 tiêu điểm chính là cấu trúc hệ thống, kỹ thuật mã không – thời gian và kỹ thuật đồng bộ trong hệ MIMO-OFDM.
Như chúng ta biết, hệ MIMO-OFDM có khả năng chống nhiễu ISI khi chiều dài khoảng bảo vệ của ký hiệu MIMO-OFDM lớn hơn độ trải trễ truyền cực đại. Đó là điều kiện khó thực hiện với hệ MIMO-OFDM, vì kênh thường không được biết trước và bị phụ thuộc vào các điều kiện của môi trường truyền, trong khi đó độ dài khoảng bảo vệ là thông số hệ thống, phụ thuộc vào máy phát. Để khắc phục khó khăn này, chúng ta phải thực hiện ước đoán kênh.
Trong luận văn, trình bày một phương pháp ước lượng kênh dựa trên cơ sở bộ ước lượng bình phương nhỏ nhất với các chuỗi luyện tập khác nhau cho từng anten phát của hệ MIMO-OFDM. Khi sử dụng giải pháp này, các ảnh hưởng xuyên nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) lên quá trình ước lượng kênh bị ngăn chặn hoàn toàn. Phương pháp ước lượng kênh đề xuất đã đưa ra cơ sở vững chắc cho việc khử nhiễu.
Dựa trên các kết quả thu được từ phương pháp ước lượng kênh đề xuất, chúng ta có thể xây dựng kế hoạch nghiên cứu khả thi về vấn đề thực hiện đồng bộ kênh, ước lượng kênh và khử nhiễu tối ưu nhất cho hệ MIMO-OFDM trong tương lai gần.
PHỤ LỤC