Phần 3.1 đã cho chúng ta một hình dung về tác động của kênh truyền chịu tác động của nhiễu Rayleigh nhu thế nào. Phần 3.2 minh hoạ rõ hơn tác động trầm trọng của kenh Rayleigh lên trên chòm sao ký hiệu. ở đây minh hoạ chòm sao ký hiệu 16QAM là loại đ−ợc dùng khá phổ biến trong các hệ thống viễn thông. Hình 3.3 minh hoạ cho tr−ờng hợp chòm sao 16QAM lý t−ởng. Hình 3.4 minh hoạ cho tr−ờng hợp kênh truyền chỉ chịu tác động của nhiễu trắng cộng tính Gauss. Hình 3.5 minh hoạ cho tr−ờng hợp chịu thêm tác động của nhiễu Rayleigh. Những minh hoạ cho thấy tầm quan trọng của việc −ớc l−ợng kênh trong các hệ thống thông tin không dây. ở đây, hệ thống OFDM đ−ợc lựa chọn làm đối t−ợng mô phỏng.
Hình 3.3 Chòm sao QAM16 lý t−ởng
Hình 3.5 Chòm sao QAM16 khi chịu thêm nhiễu Rayleigh 3.3 Ước l−ợng kênh truyền dùng chuỗi tập huấn.
Kể từ phần 3.3, học viên thực hiện việc mô phỏng dùng công cụ SIMULINK trong MATLAB để thực thi các ch−ơng trình. Việc lập trình với M-file là hoàn toàn dễ dàng trong MATLAB nh−ng SIMULINK đ−ợc lựa chọn bởi tính t−ờng minh của ch−ơng trình. Sử dụng SIMULINK có thể giúp học viên và những ng−ời khác có thể làm chủ và tái sử dụng ch−ơng trình một cách thuận tiện.
Thông th−ờng việc −ớc l−ợng kênh đ−ợc đánh giá qua thông số MSE, tuy nhiên học viên lựa chọn đánh giá quan thông số BER (tỷ lệ lỗi bit). Thực chất cả hai thông số này là liên quan chặt chẽ với nhau.
Hình 3.6 mô tả mô hình rút gọn của 1 hệ thống OFDM hoạt động ở dải tần 5 GHz (chuẩn wlan2). ở đây ch−a mô tả sự có mặt của mã chập, mã đục lỗ, bộ xáo trộn…Hệ thống OFDM đ−ợc xét ở đây đ−ợc xét ở dải tần cơ sở. Chúng ta thấy rằng đi vào khối điều chế OFDM là 2 luồng dữ liệu có kích th−ớc bằng nhau. Luồng thứ nhất là các kí hiệu chòm sao QPSK và luồng thứ 2 là các dữ liệu đ−ợc xem là biết tr−ớc (dữ liệu tập huấn) đ−ợc sử dụng để −ớc l−ợng kênh truyền. Cách làm này cho kết quả −ớc l−ợng kênh truyền rất tốt nh−ng có thể dễ dàng thấy đ−ợc sự hao phí quá lớn về hiệu suất truyền (ở đây bị giảm một nửa). Sơ đồ SIMULINK của khối điều chế OFDM đ−ợc mô tả trong hình 3.7 với các khối chức năng đã đ−ợc mô tả chi tiết trong ch−ơng 1 của luận văn này. Sau khối điều chế OFDM, chúng ta thực hiện việc ghép ký hiệu OFDM chứa dữ liệu và khối OFDM chứa chuỗi tập huấn rồi sau đó đ−a
tới bộ P/S (song song sang nối tiếp) rồi đ−a lên kênh truyền. Kênh truyền không dây tiêu biểu chúng ta xét chịu tác động của cả nhiễu trắng cộng tính Gauss và méo Fading đa đ−ờng. L−u ý rằng khối mô phỏng méo Rayleigh phải đ−ợc chuẩn hoá công suất. Điều này rất quan trọng trong việc hiển thị quan hệ giữa tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR với tỷ lệ lỗi bit BER. Việc thay đổi SNR chỉ đ−ợc thực hiện trên khối nhiễu trắng cộng tính AWGN.
Hình 3.6 −ớc l−ợng kênh sử dụng chuỗi tập huấn
Hình 3.7 Sơ đồ SIMULINK của khối điều chế OFDM
Tại nơi thu, sơ đồ SIMULINK của khối giải điều chế OFDM đ−ợc mô tả nh− trên hình 3.8. Đầu ra của khối giải điều chế OFDM gồm các ký hiệu chòm sao dữ liệu và các dữ liệu tập huấn đã chịu tác động của nhiễu Gauss và méo Rayleigh. Các dữ liệu tập huấn đã chịu tác động của nhiễu Gauss và méo Rayleigh đ−ợc đ−a tới bộ −ớc l−ợng kênh (hình 3.9). Việc thực hiện −ớc l−ợng kênh trong tr−ờng hợp này là khá đơn giản và cho chúng ta đầu ra một chuỗi
các trọng số của 1 bộ lọc có tác dụng bù tác động kênh truyền. Việc bù kênh truyền đ−ợc thực hiện đơn giản là nhân các ký hiệu chòm sao bị nhiễu và méo với các trọng số này.
Việc tính tỷ số lỗi bit đ−ợc thục hiện trong khối BER_Calculation. Trong khối này ng−ời lập trình cần làm chủ đ−ợc các độ trễ gây bởi các khối SIMULINK (nếu có). Đây thực sự không phải là một khâu dễ dàng mặc dù đó đã là khâu cuối cùng của bài toán. Kết quả của ch−ơng trình mô phỏng đ−ợc thể hiện nh− trên đồng hồ số trong hình 3.6. Các kết quả khác thu đ−ợc nếu chúng ta đ−a thêm vào các khối hiển thị chòm sao ký hiệu, phân tích phổ …
Hình 3.8 Sơ đồ SIMULINK của khối giải điều chế OFDM
Hình 3.9. Sơ đồ SIMULINK của khối −ớc l−ợng kênh
Tất nhiên là việc mô phỏng không thực hiện hoàn toàn bằng SIMULINK mà phải đ−ợc kết hợp với M-file để thực hiện các mô phỏng dùng ph−ơng pháp Monte-Carlo. L−u ý rằng vì khối l−ợng tính toán rất lớn nên khi sử dụng Monte-Carlo sẽ tiêu tốn rất nhiều thời gian. Hình 3.10 là kết quả mô phỏng thể hiện mối liên hệ giữa SNR vs. BER đã đ−ợc học viên thực hiện. L−u ý các thông số về tần số Dopler, số đ−ờng (kèm theo các thông số trễ và suy hao) có thể đ−ợc thay đổi một cách linh hoạt. ở đây, học viên đ−a ra một mô hình khá trầm trọng khi sử dụng tần số Dopler là 200 Hz và Fading 3 đ−ờng.
Hình 3.10. SNR và BER dùng chuỗi tập huấn. 3.4 Ước l−ợng kênh truyền với hoa tiêu kiểu răng l−ợc
Có thể thấy rằng cách −ớc l−ợng nh− trong phần 3.3 là rất không khả thi do hiệu suất phổ quá thấp. Nh− đã trình bày trong ch−ơng 2, học viên sẽ thực hiện việc −ớc l−ợng kênh truyền dùng tín hiệu hoa tiêu kiểu răng l−ợc. Nét chính đ−ợc tóm gọn lại của ph−ơng pháp này đó là chèn các tín hiệu hoa tiêu vào các tín hiệu dữ liệu thông th−ờng. Tại nơi thu, các tín hiệu hoa tiêu đ−ợc tách ra để −ớc l−ợng kênh truyền. Thông tin kênh truyền từ các thu đ−ợc nhờ các tín hiệu hoa tiêu sẽ đ−ợc nội suy để có thể −ớc l−ợng tác động của kênh nhiễu lên từng ký hiệu OFDM. Từ đó, chúng ta thực hiện việc bù méo và nhiễu.
Một số b−ớc trùng lặp với phần 3.3 sẽ không trình bày trong mục này. Hình 3.10 trình bày mô hình hệ thống OFDM có sử dụng tín hiệu hoa tiêu kiểu răng l−ợc. ở đó các khối chèn hoa tiêu và xử lý đ−ợc gói gọn trong các khối điều chế và giải điều chế OFDM t−ơng ứng. Tại nơi phát, các ký hiệu chòm sao QAM16 tr−ớc khi đi vào bộ điều chế OFDM đ−ợc chèn với tín hiệu hoa tiêu (giá trị bằng 1) theo tỉ lệ 8:1. Nh− vậy, việc tách tín hiệu hoa tiêu bị nhiễu ra để xử lý đ−ợc thực hiện ngay sau bộ giải điều chế OFDM (hình 3.11).
Có thể thấy rằng với ph−ơng pháp này, chúng ta đã giả thiết méo biên bộ đ−ợc coi là không thay đổi trong 8 ký hiệu thông tin. Việc lựa chọn tỷ lệ chèn hoa tiêu phụ thuộc vào sự khắc nghiệt của kênh truyền.
Hình 3.11 Hệ thống OFDM có sử dụng tín hiệu hoa tiêu kiểu răng l−ợc
Hình 3.12 Bù kênh fading và Gauss dùng tín hiệu hoa tiêu
Hình 3.13 mô tả liên hệ quan hệ giữa SNR và BER của hệ thống OFDM sử dụng tín hiệu hoa tiêu dạng răng l−ợc. Kênh truyền chịu tác động của cả nhiễu trắng cộng tính AWGN và méo Phading đa đ−ờng. Tần số Dopler là 200 Hz.
3.5 Ước l−ợng kênh truyền với hoa tiêu kiểu răng l−ợc và bám không gian phụ
−u điểm của ph−ơng pháp này là cải thiện độ chính xác của −ớc l−ợng kênh truyền bằng các −ớc l−ợng độ méo biên độ trên từng ký hiệu thông tin dùng thuật toán LMS (hình 3.13).
Hình 3.14 Xử lý bù tác động kênh truyền tại bộ thu
Hình 3.15 cho chúng ta đánh giá toàn diện các ph−ơng pháp −ớc l−ợng kênh trình bày trong luận văn này. Ph−ơng pháp dùng chuỗi tập huấn cho kết quả tốt nhất nh−ng lại hiệu suất phổ lại thấp nhất. Chúng ta thấy rằng ph−uơng pháp chèn hoa tiêu kiểu răng l−ợc dùng LMS cho chúng ta kết quả khả dĩ nhất. Tỷ lệ chèn hoa tiêu trong ph−ơng pháp này đ−ợc lựa chọn là 8:1.
Hình 3.15.So sánh các ph−ơng pháp −ớc l−ợng kênh 3.6 Cải thiện chất l−ợng của SER
Ngoài việc −ớc l−ợng kênh tốt có thể bù tác động kênh truyền một cách hiệu quả thì hình 5.16 còn là một ch−ơng trình mô phỏng minh hoạ việc cải thiện tỷ lệ lỗi bằng cách sử dụng mã hoá. Chúng ta có thể thấy tỷ lệ lỗi ký hiệu đã
đ−ợc cải thiện nh− thế nào khi sử dụng mã RS bằng cách so sánh các giá trị SER trong các ô elip.
Hình 3.16 Cải thiện chất l−ợng của −ớc l−ợng kênh dùng mã hoá
Hình 3.17 cho chúng ta một đánh giá thú vị về chất l−ợng của −ớc l−ợng kênh trong 3 tr−ờng hợp: không có −ớc l−ợng kênh, −ớc l−ợng kênh chỉ có nhiễu trắng Gauss và −ớc l−ợng kênh có cả Gauss và Rayleigh. Chất l−ợng thiết kế đ−ợc đánh giá là tốt nếu đ−ờng thứ 2 càng tiến sát tới đ−ờng thứ 3.
kết luận
Luận văn đã tập trung vào vấn đề −ớc l−ợng kênh trong các hệ thống thông tin vô tuyến, tập trung vào hệ thống OFDM – hệ thống của t−ơng lai. Mục đích của việc −ớc l−ợng kênh đó là cải thiện chất l−ợng truyền dữ liệu mà cụ thể là giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit BER (hay tỉ lệ lỗi biểu t−ợng SER). Chúng ta đã biết một số ph−ơng pháp bù tác động của kênh truyền nh− ph−ơng pháp phân tập (phân tập theo không gian, thời gian, tần số…) hay ph−ơng pháp dùng mã không gian – thời gian, mã sửa lỗi… Luận văn này của tôi đã trình bày về ph−ơng pháp sử dụng tín hiệu hoa tiêu và các ph−ơng pháp cải tiến để
−ớc l−ợng kênh. Đây là ph−ơng pháp khá hiệu quả, tiết kiệm, không yêu cầu tín hiệu phản hồi từ nơi thu… Những đánh giá chi tiết đã đ−ợc tác giả trình bày trong ch−ơng 3. Nhận xét rằng với các hệ thống thông tin vô tuyến trong t−ơng lai cung cấp dịch vụ dữ liệu tốc độ cao thì yêu cầu kết hợp các công nghệ và giải pháp là tất yếu và luận văn mới chỉ đề cập tới một khía cạnh rất quan trọng của cả 1 hệ thống lớn này.
Đề tài hoàn thành và cũng mở ra h−ớng nghiên cứu tiếp theo sâu hơn cho việc ứng dụng công nghệ OFDM trên mạng viễn thông.Trong t−ơng lai em mong muốn sẽ đ−ợc nghiên cứu kỹ hơn về các thuật toán −ớc l−ợng kênh và hệ thống OFDM để có thể ứng dụng nó trong mạng viễn thông rộng hơn.
Trong thời gian thực hiện đề tài, với vốn kiến thức và kinh nghiệm có hạn, nên mặc dù đã em đã rất cố gắng nh−ng chắc hẳn luận văn của em không thể tránh khỏi thiếu sót. Rất mong thầy cô, các bạn và những ng−ời quan tâm đến đề tài này góp ý để em đ−ợc lĩnh hội thêm kiến thức để luận văn đ−ợc hoàn thiện hơn.
TàI LIệU THAM KHảO
REFERENCES
[1] A.R.S bahai and B.R. saltzberg, Multi carrier Digital communications:
Theory and applications of OFDM: Kluwer Academic/Plenum, 1999.
[2] J-J. van de Beek, O Edfors, M. Sandell, S. K. wilson, and P. O. Bor-jesson, “on channel estimation in OFDMsystems,” in Proc. IEEE 45th Vehicular
Technology Conf., chicago, IL. Jul. 1995, pp. 815-819.
[3] O. Edfors, M. Sandell, J-J. van de Beek, S. K. Wilson, and P. O. Br-jesson “OFDM channel estimation by singular value decomposition” IEEE Trans.
Commun., vol. 46, no. 7, pp. 931-939, Jul. 1998.
[4] M. Hsieh and C. Wei, “channel estimation for OFDM systems based on comp-type pilot arrangement in frequency selective fading channels,” IEEE trans. Consumer Electron., vol. 44, no. 1, Feb. 1998.
[5] R. Steele, Mobile radio communications. London, England: Pentech Press Limited, 1992.
[6] U. Reimers, “Digital video broadcasting,” IEEE Commun. Mag,. Vol. 36, no.6, pp. 104-110, June. 1998.
[7] L. J. Cimini,”Analysis and simulation of a digital mobile channel using orthogonal frequency division multiplexing,” IEEE Trans. Commun., vol. 33, no. 7, pp. 665-675, Jul. 1985
[8] Y. Zhao and A.a Huang,”A novel channel estimation method for OFDM Mobile Communication systems based on pilot signals and transform domain processing,” in Proc. IEEE 47th Vehicular Tachnology Conf. , Phoenix, USA, May 1997, pp. 2089-2093
Phụ lục
Toàn bộ file ch−ơng trình mô phỏng dùng SIMULINK đã đ−ợc upload lên địa chỉ http://asia.briefcase.yahoo.com/bc/van_dhtm.
Name Type Size Last Modified Edit ofdm_training .mdl 122 KB 29-Oct-2006 rayleigh_lib .mdl 43 KB 29-Oct-2006 customgain_ok .m 1 KB 29-Oct-2006 customgain_ok .mdl 55 KB 29-Oct-2006 koEst .mdl 48 KB 29-Oct-2006 lms_ok .mdl 55 KB 29-Oct-2006 koEst .m 1 KB 29-Oct-2006 rayleigh_init .m 2 KB 29-Oct-2006 main .m 1 KB 29-Oct-2006 main2 .m 1 KB 29-Oct-2006 lms_ok .m 1 KB 29-Oct-2006
customgain_ok1s .mat 1 KB 29-Oct-2006
A1. Hình 3.1
%mo phong Fading da duong subplot(1,1,1)
% thiet lap ban dau fs = 1e7;
f0=1e9;
v=100; % van toc doi tuong di dong tt = 0:1/fs:4.1e-3;
% tin hieu loi vao gia su la xung co do dai co ms ss = zeros(size(tt));
Delta = 1e-3;
DeltaS = round(Delta*fs); ss(1:DeltaS:length(ss)) = 1;
% tin hieu loi ra qua kenh phading da duong rr = kenhfading(ss, f0, fs, v, 1);
% hien thi ket qua
% 1. da duong do xung tai t=0
stem(1e6*tt(1:60), real(rr(1:60)),'b'); xlabel('thoi gian (\mus)')
title('dap ung xung cua kenh truyen \delta(t)') pause
% 2. Dap ung tan so cua kenh do xung dau tien ff=0:10e3:5e6; RR = zeros(size(ff)); for nn=1:60 RR = RR + rr(nn)*exp(-j*2*pi*ff*nn/fs); end semilogy(ff/1e3, abs(RR)) xlabel('tan so (KHz)') ylabel('|R(f)|') grid; pause for kk=1:5 subplot(5,2,2*kk-1) stem(1e6*tt((1:60)+(kk-1)*DeltaS), real(rr((1:60)+(kk- 1)*DeltaS)),'b');
xlabel('Thoi gian (\mus)')
title(sprintf('xung tai t= %d ms',kk)) subplot(5,2,2*kk) RR = zeros(size(ff)); for nn=1:60 RR = RR + rr(nn+(kk-1)*DeltaS)*exp(- j*2*pi*ff*nn/fs); end semilogy(ff/1e3, abs(RR)) xlabel('Tan so (KHz)') ylabel('|R(f)|') grid; end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % kenhfading.m
function s_out = kenhfading(s_in,f0,fs,v,seed)
c = 299792456.2; % toc do anh sang m/s
randn('seed',seed);
fd = f0*v/(3.6*c); % tan so Doppler % thong so lay tai GSM Rec. 05.05.
gain = [0.4 0.5 1 0.63 0.5 0.32 0.2 0.32 0.25 0.13 0.08 0.1];
delay = 1e-6*[0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.8 2.4 3.0 3.2 5.0]; % us
i_del = round(fs*delay); disp('ao nhieu trang') if v > 0 N = round(max(3.5*fs/(10*v),N_in/10)); else N = 1; end taps=randn(N,12)+sqrt(-1)*randn(N,12); if v > 0 TAPS = fft(taps);
disp('tao dang pho')
L = floor(10*fd/fs*N); % Tao dang pho for i = 1:L f = i*fs/(N*10*fd); g = sqrt(1/sqrt(1-f^2)); TAPS(i+1,:) = TAPS(i+1,:)*g; TAPS(N-i+1,:) = TAPS(N-i+1,:)*g; end TAPS(L+2:N-L,:) = zeros(N-2*L-1,12);
taps = ifft(TAPS); % bien doi
clear TAPS;
for i = 1:12 % chuan hoa cong suat
taps(:,i) = taps(:,i)*sqrt(N)/norm(taps(:,i)); end
disp('noi suy')
% thuc hien phep noi suy de tinh v itaps = zeros(N_in,12); for i = 1:N_in k = floor((i-1)/10)+1; j = i - 10*k; if k+1 <= N delta = (taps(k+1,:)-taps(k,:))/10; else delta = zeros(1,12); end
itaps(i,:) = taps(k,:) + (j-1)*delta; end
else % v=0
itaps = ones(N_in,1)*taps; end
clear taps;
% cuoi cung la nhan chap tin hieu voi dap ung kenh truyen disp('nhan chap') s_out = zeros(1,N_in+max(i_del)); for i=1:12 s_out(i_del(i)+1:i_del(i)+N_in) = s_out(i_del(i)+1:i_del(i)+N_in)+gain(i)*s_in.*itaps(:,i)'; end