Chương 5: Điều chế OFDM thớch ứng Đồ ỏn tốt nghiệp Đại học
Do tớnh chất chọn lọc của đỏp ứng kờnh trong miền tần số và miền thời gian nghĩa là pha đinh chọn lọc tần số và pha đinh chọn lọc thời gian hay núi cỏch khỏc đỏp ứng kờnh truyền vụ tuyến khụng những thay đổi theo thời gian mà cũn thay đổi theo tần số. Vỡ vậy đối với kờnh chọn lọc tần số tồn tại những khoảng băng tần kờnh cú độ biến động là chấp nhận được và khụng chấp nhận được, vỡ vậy cần phải tổ chức:
Vựng tần số của đỏp ứng kờnh (hàm truyền đạt) ớt bị thăng giỏng: Truyền dữ liệu trờn cỏc súng mang con nằm trong khoảng băng tần cú độ biến động chấp nhận được ⇒ cải thiện BPS.
Vựng tần số của đỏp ứng kờnh (hàm truyền đạt) bị thăng giỏng mạnh: Khụng truyền dữ liệu trờn đú hoặc truyền trờn nhiều súng mang con (phõn tỏn lỗi) ⇒ cải thiện QoS.
Xõy dựng giải thuật:
Dựa trờn tớnh chất chọn lọc tần số của kờnh ta cú thể xõy dựng thuật toỏn thớch ứng theo cơ chế chọn lọc súng mang nhằm phỏt huy tối đa ưu điểm của phõn tập tần số (định nghĩa phõn tập):
Với giả thiết là: (1) Cựng một độ rộng băng tần được cấp phỏt cho kờnh (cựng tốc độ bit vào); (2) Cựng trạng thỏi kờnh (cựng một đoạn băng tần bị thăng giỏng, cựng số lượng cỏc súng mang con bị thăng giỏng ); (3) trong cựng một khoảng thời gian khảo sỏt, cú cựng số lượng bit được truyền, cựng khoảng thời gian mụ phỏng.
Nếu số lượng súng mang (N_Sub) được dựng để truyền dữ liệu là nhỏ, thỡ tỉ lệ giữa cỏc súng mang con bị lỗi trờn toàn bộ súng mang được dựng là lớn nghĩa là tỉ lệ giữa số cỏc bit được truyền đi bị lỗi trờn toàn bộ cỏc bit được truyền đi là lớn (BER tăng) ngoài ra cũn gõy lỗi cụm (cỏc lỗi cú tớnh chất tập trung). Như vậy, khi N_Sub nhỏ khụng những BER lớn mà cũn tăng lỗi cụm.
Nếu ta dựng một số lượng lớn súng mang để truyền dữ liệu thỡ sẽ cú tỏc dụng giảm số lượng lỗi vỡ tỷ lệ súng mang bị lỗi so với toàn bộ súng mang sẽ rất nhỏ. Bởi vỡ, Nếu số lượng súng mang (NSub) được dựng để truyền dữ liệu là lớn, thỡ tỉ lệ giữa cỏc súng mang con bị lỗi trờn toàn bộ súng mang được dựng là nhỏ nghĩa là tỉ lệ giữa số cỏc bit được truyền đi bị lỗi trờn toàn bộ cỏc bit được truyền đi là nhỏ (BER giảm) ngoài ra cũn khụng gõy lỗi cụm (cỏc lỗi khụng cú tớnh chất tập trung (xột trờn toàn bộ tốc độ bit đầu vào ở miền thời gian điều này hưởng lợi từ quỏ trỡnh biến đổi nối tiếp thành song song)). Như vậy, khi NSub lớn khụng những BER giảm mà cũn giảm lỗi lụm.
Trờn đõy là trường hợp chưa thực hiện thớch ứng. Nếu bỏ giả thiết (3) ở trờn và thực hiện cơ chế thớch ứng bằng cỏch:
Tăng, giảm số lượng cỏc súng mang con theo trạng thỏi kờnh: Một khi ta khảo sỏt trong khoảng thời gian đủ dài và thực hiện thớch ứng số súng mang con NSub theo trạng thỏi kờnh trong miền tần số ⇒ cải thiện được cả hiệu năng BER và QoS. ⇒ hạn chế lỗi
Khụng truyền dữ liệu trờn cỏc súng mang con bị lỗi: Tiến hành truyền dữ liệu trờn súng mang cú tỷ lệ lỗi cho phộp và sẽ khụng truyền trờn cỏc súng mang cú tỷ lệ lỗi vượt quỏ ngưỡng cho phộp. Tất nhiờn nếu ta dựng cơ chế thớch ứng khi dựng số ớt súng mang con sẽ khụng hiệu quả về thụng lượng vỡ cú thể cú trường hợp mà cú nhiều súng mang con bị lỗi quỏ ngưỡng cho phộp do đú dữ liệu được truyền trờn một số ớt súng mang cũn lại, điều này dẫn đến việc giảm mạnh tốc độ bit truyền dẫn. Do vậy để nõng
cao hiệu năng của cơ chế thớch ứng chọn lọc súng mang thỡ số lượng súng mang con cần phải đủ lớn (thụng thường > 100). Vỡ chỉ hoạt động thớch ứng trong miền tần số do đú đối với cơ chế thớch ứng này sẽ giữ nguyờn mức điều chế (M-QAM, M-PSK), song vẫn cải thiện được tốc độ truyền dẫn so với thuật toỏn chuyển mức điều chế A-QAM đơn thuần được thực hiện trong [4]. Vỡ vậy để ngăn chặn lỗi thỡ phải tiến hành chọn lọc thớch ứng cỏc súng mang con.
Nếu chỉ dựng một súng mang con (NSub =1) để truyền toàn bộ tốc độ bit đầu vào sẽ trở về A-QAM thụng thường.
Vấn đề chớnh của thuật toỏn thớch ứng chọn lọc súng mang là phải xỏc định được BER cho từng thành phần súng mang, sau đú so sỏnh với giỏ trị BER ngưỡng để quyết định sẽ khụng truyền dữ liệu trờn thành phần súng mang nào. Nếu giỏ trị BER trờn súng mang con nào thấp hơn mức ngưỡng thỡ phớa phỏt sẽ tiến hành chốn ký hiệu hoa tiờu vào thành phần súng mang đú, cỏc ký hiệu hoa tiờu này để đơn giản ta nờn thiết lập giỏ trị là ’0’. Phớa thu sẽ vẫn tiến hành thu và tớnh BER trờn cỏc súng mang được chốn hoa tiờu, nếu giỏ trị BER trờn cỏc súng mang này mà thấp hơn ngưỡng cho phộp thỡ ta lại truyền dữ liệu bỡnh thường trờn cỏc súng mang này. Do đú việc chốn ký hiệu hoa tiờu lờn cỏc súng mang cú tỷ lệ lỗi lớn sẽ giỳp cho phớa thu ước tớnh chớnh xỏc trạng thỏi kờnh truyền dẫn.
Nhận xột:
Ưu điểm nổi bật của cơ chế thớch ứng chọn lọc súng mang là tận dụng cực đại hoỏ những khoảng băng tần ớt biến động của kờnh và giảm thiểu dữ liệu truyền trờn những khoảng băng tần thăng giỏng lớn của kờnh hay núi cỏch khỏc giảm thiểu được ảnh hưởng pha đinh chọn lọc tần số. Trong khi đú ở cỏc thuật toỏn thớch ứng khỏc như thớch ứng mức điều chế (M-QAM thớch ứng, M-PSK thớch ứng...) do xử lý như nhau đối với toàn bộ băng tần kờnh, nờn khụng thể tận dụng ưu điểm và đối phú nhược điểm trờn đỏp ứng kờnh truyền trong miền tần số. Vỡ vậy, cú thể núi rằng đõy là giải thuật khỏ tối ưu để cải thiện hiệu năng BER và thụng lượng truyền.
Nhằm phỏt huy tối đa lợi ớch của phõn tập tần số ⇒ OFDM thớch ứng.
Vớ dụ: Đối với cơ chế thớch ứng mức điều chế (A-QAM), giả sử đang ở mức điều chế 64-QAM khi SNR thu giảm đến ngưỡng chuyển sang phỏt 16-QAM, thỡ phải giảm mức điều chế xuống 16-QAM để đảm bảo chất lượng truyền dẫn BER. Nhưng nếu giảm xuống mức điều chế 16-QAM thỡ dữ liệu trờn cỏc thành phần tần số bị thăng giỏng mạnh vẫn đảm bảo BER yờu cầu (do mức điều chế thấp), tuy nhiờn ở cỏc thành phần tần số bị thăng giỏng ớt thỡ nú đủ để truyền ở mức điều chế 64-QAM mà vẫn đảm bảo BER yờu cầu do đú sẽ lóng phớ tốc độ truyền dẫn, do đú chưa tối ưu thụng lượng (tốc độ truyền). Vỡ vậy, cú thể khẳng định cơ chế chọn lọc thớch ứng súng mang sẽ giải quyết triệt để những nhược điểm này.
Nội dung của thuật toỏn chọn lọc thớch ứng súng mang được trỡnh bầy ở mụ hỡnh giải thuật dưới đõy:
Khối tớnh BER: So sỏnh sự sai khỏc giữa ký hiệu phỏt và thu, tớnh số lượng lỗi. Sau đú khối tớnh BER sẽ gửi kết quả tớnh toỏn đến khối quyết định chốn.
BER ngưỡng: Do người dựng thiết lập tuỳ theo tớnh chất dịch vụ yờu cầu, đối với thoại thụng thường BER≤1%, trong khi đú đối với cỏc dịch vụ số liệu thỡ yờu cầu
0.01% BER ≤ .
Khối quyết định chốn: Dựa trờn giỏ trị BER ngưỡng thiết lập cho từng dịch vụ, khối quyết định sẽ tớnh chớnh xỏc giỏ trị BER trung bỡnh cho từng thành phần súng mang để đảm bảo được giỏ trị BER ngưỡng, giỏ trị BER trung bỡnh này gọi là giỏ trị BER trung bỡnh ngưỡng ( ng
tb
BER ). Đầu ra của bộ quyết định là một mảng một chiều (mảng QĐ) cú kớch thước bằng số lượng súng mang. Cụng việc tiếp theo của khối quyết định là so sỏnh cỏc giỏ trị BER của từng thành phần súng mang do bộ tớnh BER đưa đến với giỏ trị
ng tb
BER , nếu giỏ trị BER của thành phần súng mang nào > ng tb
BER thỡ phần tử trong mảng QĐ tương ứng với thành phần súng mang đú sẽ được gỏn bằng ’1’. Nếu ngược lại sẽ được gỏn bằng ’0’. Giỏ trị ’1’ cú nghĩa là khụng truyền dữ liệu trờn súng mang này, giỏ trị ’0’ cú nghĩa là vẫn sử dụng súng mang này. Phần lập trỡnh cho khối tớnh BER, BER ngưỡng và khối quyết định được thực hiện thụng qua hàm ’ dem_loi’ được viết bằng cụng cụ MatLab. Lưu đồ thuật toỏn cho khối quyết định được mụ tả như sau:
Khối điều khiển chốn: Khối này lấy thụng tin chốn từ khối quyết định, nếu súng mang nào cú BER ng
tb
BER
> khi đú phần tử trong mảng QĐ cú chỉ số bằng số thứ tự của súng
mang này sẽ cú giỏ trị là ’1’ và ta phải tiến hành chốn ’0’ lờn súng mang này, nếu ngược lại thỡ sẽ tiến hành truyền dữ liệu bỡnh thường trờn súng mang này. Khối điều khiển chốn sẽ can thiệp thứ tự của ký hiệu phỏt trờn mỗi súng mang để đảm bảo sao cho nếu khụng
Chương 5: Điều chế OFDM thớch ứng Đồ ỏn tốt nghiệp Đại học
sử dụng súng mang thỡ sẽ chốn thờm ký hiệu ’0’, và nếu sử dụng thỡ khụng chốn. Quỏ trỡnh sắp xếp này rất phức tạp, tuy nhiờn nếu hiểu kỹ về cấu trỳc của ký hiệu OFDM, và cấu trỳc ký hiệu đem điều chế súng mang con thỡ cụng việc sẽ dễ dàng hơn. Sau đõy là lưu đồ thuật toỏn mụ tả hoạt động của khối điều khiển chốn. Phần lập trỡnh cho khối điều khiển chốn được thực hiện thụng qua hàm 'chen_song_mang (sig_in)' được viết bằng cụng cụ MatLab.
Khối điều khiển giải chốn: Hoạt động của khối điều khiển giải chốn hoàn toàn ngược lại với khối điều khiển chốn. Khối này lấy thụng tin chốn từ khối quyết định, dựa trờn thụng tin về cỏc vị trớ chốn khối này sẽ tiến hành giải chốn tức là loại bỏ những ký hiệu chốn trờn những súng mang con được chốn và đưa những ký hiệu chốn này đến bộ ước tớnh kờnh để tiến hành tỡm ra đỏp ứng kờnh. Do tớnh chất hoạt động tương tự như khối điều khiển chốn cho nờn lưu đồ thuật toỏn cũng tương tự như khối điều khiển chốn, cho nờn sẽ khụng được đề cập ở đõy. Phần lập trỡnh cho khối điều khiển giải chốn được thực
5.6 Kết luận
Chương này đó giải thớch thế nào là điều chế thớch ứng, phõn tớch nguyờn lý thớch ứng chung cho cỏc hệ thống truyền dẫn, phõn tớch cỏc bước thực hiện cho cỏc phương phỏp thớch ứng. Đồng thời đề xuất cỏc phương ỏn thớch ứng: Thớch ứng theo SNR phỏt, thớch ứng theo mức điều chế, thớch ứng theo cơ chế chọn lúc súng mang. Phõn tớch ưu nhược điểm và tớnh khả thi của từng phương ỏn thớch ứng, cuối cựng đồ ỏn chứng minh tớnh hiệu quả và tớnh khả thi của ba phương ỏn thớch ứng: thớch ứng theo mức điều chế, thớch ứng theo cơ chế chọn lọc súng mang và phương ỏn kết hợp hai phương ỏn thớch ứng này. Chương này cũng đó đề xuất mụ hỡnh hệ thống truyền dẫn OFDM sử dụng thuật toỏn thớch ứng theo cơ chế chọn lọc súng mang, đồng thời phõn tớch lưu đồ thuật toỏn hoạt động của cỏc module thớch ứng trong hệ thống.