Tài liệu Ghép sóng mang phụ, phân phối công suất và bit loading cho hệ thống ofdm

Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- TRẦN MINH CƯƠNG “GHÉP SÓNG MANG PHỤ, PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT VÀ BIT LOADING CHO HỆ THỐNG OFDM” Chuyên Ngành : Kỹ Thuật Vô Tuyến – Điện Tử Mã Số Ngành: 2.07.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2009 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học : ............................................................................ Cán bộ chấm nhận xét 1 : ................................................................................... Cán bộ chấm nhận xét 2 : ................................................................................... Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 16 tháng 07 năm 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---------------- CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc ---oOo--Tp. HCM, ngày 01 tháng 07 năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: Trần Minh Cương Giới tính : Nam / Nữ  Ngày, tháng, năm sinh : 05/06/1982 Nơi sinh : Long Xuyên, An Giang Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Tử Khoá (Năm trúng tuyển) : 2007 1- TÊN ĐỀ TÀI: Ghép Sóng Mang Phụ, Phân Phối Công Suất và Bit Loading Cho Hệ Thống OFDM 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Thực hiện ghép sóng mang phụ cho hệ thống OFDM – relay - Phân phối công suất tối ưu theo phương pháp water – filling với giới hạn về công suất tổng cho toàn hệ thống - Phân phối bit cho hệ thống OFDM đa chặng với điều kiện về BER ngưỡng - Mô phỏng bằng matlab cho chuẩn IEEE 802.11a nhằm kiểm chứng kết quả về ghép sóng mang, phân phối công suất tối ưu theo phương pháp water-filling và phân phối bit cho mỗi sóng mang phụ với ràng buộc về lỗi bit cho từng chặng. 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01/08/2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 01/07/2009 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Hồ Văn Khương Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin chân thành gởi lời cảm ơn đến người Thầy, người Anh TS.Hồ Văn Khương đã giúp đỡ tận tình trong quá trình thực hiện luận văn này. Cách hướng dẫn và hổ trợ của thầy tạo nhiều động lực cho em trong việc hoàn thành tốt luận văn này. Em cũng xin cảm ơn các Thầy Cô trong trường Đại Học Bách Khoa đã truyền đạt và hướng dẫn cho em về các vấn đề lý thuyết kỹ thuật cũng như các ứng dụng thực tế của ngành vô tuyến điện tử em đang theo học. Đồng thời, em cũng xin cảm ơn các bạn bè, anh em trong lớp đã tư vấn và hổ trợ trong lúc thực hiện đề tài. Xin cảm ơn gia đình và người thân luôn giúp đỡ và ủng hộ trong quá trình học tập và trong cuộc sống. Một lần nữa, xin cảm ơn tất cả mọi người đã giúp đỡ em trong quá trình học tập, tìm hiểu các vấn đề kỹ thuật cũng như trong cuộc sống. Trân Trọng Trần Minh Cương i Lời Mở Đầu Thông tin hợp tác là một trong các ứng dụng kỹ thuật được quan tâm nhiều nhất của các nghiên cứu hiện nay. Nó được xem như chìa khóa kỹ thuật cho việc sử dụng hiệu quả phổ tần số trong tương lai. Mục đích chính là việc chia sẻ tài nguyên giữa nhiều node trong mạng và xa hơn nữa là hợp tác giữa các người sử dụng nhằm chia sẻ công suất với các nodes lân cận nhằm tiết kiệm công suất cho toàn hệ thống. Mạng đám mây cung cấp rất nhiều không gian ứng dụng cho việc hợp tác thông tin được thực hiện. Trong mạng thông tin truyền thống, lớp vật lý chỉ đảm nhận vai trò truyền thông tin từ một node này đến node khác. Tuy nhiên, trong thông tin hợp tác thì nó đảm nhận vai trò chuyển tiếp và như một thành phần trong mạng. Truyền thông qua relay là, một điển hình như node mạng như đã nêu trên, một kỹ thuật hứa hẹn giúp mở rộng tầm phủ sóng và hạn chế những điểm yếu của thông tin vô tuyến. OFDM là một kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, với nhiều sóng mang phụ, được kỳ vọng cho là nhân tố cho hệ thống thông tin thế hệ kế tiếp. Do đó, kết hợp của hai kỹ thuật này được gọi là OFDM-relay là một hướng cho thông tin vô tuyến băng rộng trong tương lai. Mục đích của luận văn này nhằm tính toán phân chia công suất cho các sóng mang phụ nhằm đạt được dung lượng kênh truyền lớn nhất với cùng công suất phát, giải quyết vấn đề ghép các sóng mang phụ khi thông tin truyền qua relay DF và phân phối bit trên các sóng mang phụ mà phải thỏa mãn lỗi bit trong giới hạn cho phép. Tuy đã nổ lực tối đa để hoàn thành luận văn, nhưng do giới hạn về kiến thức cũng như khả năng lập trình nên luận văn còn nhiều thiếu sót. Em mong nhận được sự góp ý chân thành của thầy cô nhằm mở rộng hướng nghiên cứu cho đề tài này. Tp.HCM, tháng 7 năm 2009 Trần Minh Cương ii Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học MỤC LỤC  Lời Cảm Ơn ...................................................................................................................................i Lời Mở Đầu...................................................................................................................................ii Mục Lục ........................................................................................................................................1 Mục Lục Hình và Mục Lục Bảng .................................................................................................3 Mục Lục Các Từ Viết Tắt .............................................................................................................5 Đặt Vấn Đề....................................................................................................................................7 Chương 1. CÁC ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN ĐA SÓNG MANG VÀ OFDM .................9 1.1. Đặc Tính Kênh Truyền Vô Tuyến ..................................................................................9 1.1.1. Kênh Truyền Vô Tuyến...........................................................................................9 1.1.2. Mô Hình Kênh Truyền .........................................................................................11 1.1.3. Thống Kê Kênh Truyền Fading.............................................................................13 1.1.4. Giao Thoa Liên Ký Tự (ISI) và Giao Thoa Liên Kênh (ICI) ................................13 1.1.5. Ví Dụ Về Mô Hình Kênh Truyền Đa Đường Rời Rạc ..........................................15 1.1.6. Mô Hình Kênh Truyền Đa Sóng Mang .................................................................17 1.1.7. Phân Tập................................................................................................................18 1.2. Hệ Thống OFDM............................................................................................................21 1.2.1. Ghép Kênh Phân Chia Theo Tần Số Trực Giao (OFDM) .....................................22 1.2.2. Thuận Lợi và Nhược Điểm....................................................................................27 1.2.3. Ứng Dụng và Các Chuẩn Dùng OFDM ................................................................27 Chương 2. ĐIỀU CHẾ SỐ ......................................................................................................31 2.1. Kênh Truyền AWGN......................................................................................................31 2.1.1. Dung Lượng Kênh Truyền AWGN .......................................................................32 2.1.2. Tỉ Lệ Công Suất Tín Hiệu Trên Nhiễu và Năng Lượng Bit Trên Ký Tự ..............34 2.1.3. Xác Suất Lỗi Của Điều Chế BPSK và QPSK .......................................................36 2.1.4. Xác Suất Lỗi Của Điều Chế MPAM và MQAM...................................................37 2.1.5. Xác Suất Lỗi Xấp Xỉ Cho Điều Chế Đồng Bộ ......................................................40 2.1.6. Xác Suất Lỗi Xấp Xỉ Cho Điều Chế Vi Sai ..........................................................40 2.2. Hàm Gaussian Q...............................................................................................................43 2.3. Xác Suất Kênh Truyền Fading .........................................................................................43 2.3.1. Xác Suất Outage ....................................................................................................45 2.3.2. Xác Suất Lỗi Trung Bình ......................................................................................45 GVHD: TS.Hồ Văn Khương 1 HV: Trần Minh Cương Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học 2.3.3. Kết Hợp Xác Suất Lỗi Trung Bình và Xác Suất Outage .......................................48 Chương 3. KỸ THUẬT GHÉP KÊNH, PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT TỐI ƯU VÀ BIT LOADING TRONG HỆ THỐNG OFDM ĐA CHẶNG ...................................51 3.1. Giới Thiệu..........................................................................................................................52 3.2. Mô Hình Hệ Thống và Công Thức Hóa ............................................................................52 3.2.1. Mô Hình Hóa Hệ Thống........................................................................................52 3.2.2. Công Thức Hóa Bài Toán......................................................................................54 3.3. Phân Phối Công Suất Tối Ưu Bằng Thuật Toán Water – Filling.......................................55 3.4. Ghép Kênh Tối Ưu và Phân Phối Công Suất Cho Hệ Thống Hai Sóng Mang Phụ...........59 3.5. Mở Rộng Cho Hệ Thống Nhiều Sóng Mang Phụ ..............................................................63 3.6. Xác Suất Điều Chế Sóng Mang Phụ và Các Vấn Đề Liên Quan .......................................65 3.7. Các Giải Pháp Thực Hiện Phân Phối Công Suất Tối Ưu và Bit Loading..........................69 3.7.1. Phương Pháp Rounding Off ..................................................................................70 3.7.2. Phương Pháp QoS .................................................................................................71 3.7.3. Phương Pháp Đề Xuất ...........................................................................................71 3.8. Mở Rộng Cho Hệ Thống Đa Chặng ..................................................................................73 Chương 4. KẾT QUẢ THỰC HIỆN, ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN ...................................76 4.1. Kết Quả Thực Hiện và Đánh Giá .......................................................................................77 4.1.1. Thực Hiện Ghép Sóng Mang Phụ, Phân Phối Công Suất Tối Ưu và Bit Loading Cho Hệ Thống Hai Chặng ......................................................................................77 4.1.2.Mô Phỏng Vị Trí Relay Ảnh Hưởng Đến Tổng Dung Lượng Kênh Truyền .........79 4.1.3. Thực Hiện Ghép Sóng Mang Phụ, Phân Phối Công Suất Tối Ưu và Bit Loading Cho Hệ Thống 4-Chặng và 6-Chặng với BER=10-5 ...............................................80 4.1.4.Mô Phỏng BER Được Giữ ở Mức Dưới Ngưỡng BERT Trong Khi Dung Lượng Tăng bởi SNR tăng .................................................................................................81 4.2. Kết Luận ..............................................................................................................................82 4.3. Hướng Phát Triển Của Đề Tài............................................................................................83 Tài Liệu Tham Khảo .................................................................................................................84 GVHD: TS.Hồ Văn Khương 2 HV: Trần Minh Cương Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học Mục Lục Hình và Mục Lục Bảng D E Hình 1.1 Kỹ thuật đa sóng mang trực giao OFDM ........................................................................... Trang 7 Hình 1.2 Mô hình mạng hai chặng thông qua relay dựa trên kỹ thuật OFDM .................................. Trang 8 Hình 1.3 Sự lan truyền đa đường thay đổi theo thời gian ............................................................... Trang 10 Hình 1.4 Đáp ứng xung thay đổi theo thời gian và đáp ứng của hàm truyền lựa chọn tần số fadingTrang 12 Hình 1.5 Phân tập trong OFDM và hệ thống MC-SS trong kênh fading Rayleigh ......................... Trang 20 Hình 1.6 Điều chế đa sóng mang với Nc=4 sub-channel ................................................................. Trang 21 Hình 17 Mật độ phổ công suất OFDM với 16 sóng mang con ........................................................ Trang 23 Hình 1.8 Hệ thống số đa sóng mang sử dụng OFDM ...................................................................... Trang 24 Hình 1.9 Đơn giản hóa hệ thống kênh truyền đa sóng mang dựa trên OFDM ................................. Trang 25 Hình 1.10 Thể hiện thời gian/tần số của một ký tự/frame OFDM ................................................... Trang 26 Hình 2.1 Giới hạn Shannon và các mã điều chế............................................................................... Trang 33 Hình 2.2 Mô hình hệ thống truyền thông ......................................................................................... Trang 34 Hình 2.3 Mã hóa Gray cho tín hiệu MPSK ...................................................................................... Trang 37 Hình 2.4 Mô hình điểm cho điều chế 4-QAM và 16-QAM ............................................................. Trang 38 Hình 2.5 Mô hình giải điều chế vi sai PSK ...................................................................................... Trang 41 Hình 2.6 ܲ௕ trung bình cho BPSK trong Rayleigh fading và AWGN ............................................. Trang 45 Hình 2.7 ܲ௕ trung bình cho MQAM trong Rayleigh fading và AWGN........................................... Trang 47 Hình 2.8 ܲ௕ trung bình cho BPSK trong Nakagami fading.............................................................. Trang 49 Hình 3.1 Hệ Thống OFDM hai chặng với ghép kênh, phân phối công suất và bit loading ............. Trang 53 Hình 3.2 Kênh Truyền Gaussian song song ..................................................................................... Trang 56 Hình 3.3 Water – Filling cho kênh truyền song song ....................................................................... Trang 58 Hình 3.4 Mô hình hệ thống 3 chặng ................................................................................................ Trang 74 Hình 4.1 Dung lượng bits gõ ra hệ thống theo SNR với BERT=10-3............................................... Trang 77 Hình 4.2 Dung lượng bits gõ ra hệ thống theo SNR với BERT=10-5............................................... Trang 77 GVHD: TS.Hồ Văn Khương 3 HV: Trần Minh Cương Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học Hình 4.3 Dung lượng bits gõ ra hệ thống theo khoảng cách source – relay ..................................... Trang 78 Hình 4.4 Dung lượng bits gõ ra hệ thống theo SNR cho 4-chặng với BERT=10-5 .......................... Trang 80 Hình 4.5 Dung lượng bits gõ ra hệ thống theo SNR cho 6-chặng với BERT=10-5 .......................... Trang 80 Hình 4.6 Mô hình kiểm tra BER hệ thống với relay decode-and-forward và nhiễu AWGN ........... Trang 81 Hình 4.7 BER theo SNR kênh truyền với BERT=10-3...................................................................... Trang 82 Bảng 1.1 Thiết lập mô hình kênh truyền cho COST 207 [8] với 6 tap ............................................ Trang 15 Bảng 1.2 Chuẩn phát cho DAB và DVB-T ...................................................................................... Trang 28 Bảng 1.3 Chuẩn WLAN sử dụng OFDM ......................................................................................... Trang 29 Bảng 1.4 Phương pháp điều chế và tốc độ mã hóa tương ứng với tốc độ dữ liệu ............................ Trang 30 Bảng 2.1 Xác suất sai xấp xỉ ký tự và bit cho điều chế đồng bộ ...................................................... Trang 42 GVHD: TS.Hồ Văn Khương 4 HV: Trần Minh Cương Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học Mục Lục Các Từ Viết Tắt AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng BER Bit Error Rate Tốc độ bit lỗi BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế số dịch pha nhị phân DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DAB Digital Audio Broadcasting Âm thanh số quảng bá DVB-T Digital Video Broadcasting Truyền hình số mặt đất – Terrestrial FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh theo tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi tiến FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FSK Frequency Shift Keying Điều chế số dịch tần GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn Communications cầu IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi ngược Fourier nhanh ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên ký hiệu ICI Inter-Channel Interference Nhiễu liên kênh OFDM Orthogonal Frequency Division Phân kênh chia theo tần số trực Multiplexing giao Peak to Average Power Ratio Tỉ số công suất đỉnh trên công PAPR suất trung bình PSK Phase Shift Keying Điều chế số dịch pha QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế số dịch pha cầu phương SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu HIPERLAN High Performance LAN Chuẩn LAN không dây tốc độ cao GVHD: TS.Hồ Văn Khương 5 HV: Trần Minh Cương Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học UTMS/UTRA Universal Mobile Telecommunications Hệ thống viễn thông di động toàn cầu System AF Amplify and Forward Khuếch đại và truyền đi DF Decode and Forward Giải mã và truyền đi WF Water – Filling Thuật toán phân phối công suất GVHD: TS.Hồ Văn Khương 6 HV: Trần Minh Cương Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học ĐẶT VẤN ĐỀ OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDM nằm trong lớp kỹ thuật điều chế đa sóng mang (multicarriers modulation) trong thông tin vô tuyến. Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến, chẳng hạn như ADSL, kỹ thuật này thường được nhắc đến dưới cái tên đa tần (DMT:discrete multitone). Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài báo của R. W. Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh phụ. Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới được quan tâm nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và vi điện tử. Kỹ thuật OFDM chia luồng dữ liệu trước khi phát thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên mỗi sóng mang phụ khác nhau, các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý. OFDM– Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao rất tương tự với kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số (FDM). OFDM dùng nguyên lý FDM để cho phép đa tín hiệu gởi trên một kênh vô tuyến. Tuy nhiên OFDM nén phổ tần cho phép cải thiện hiệu quả sử dụng phổ. Hình 1.1: (1)Kỹ thuật đa sóng mang FDM (2) Kỹ thuật đa sóng mang trực giao OFDM Hệ thống OFDM đa chặng là một hướng đầy hứa hẹn để tăng dung lượng và vùng phủ sóng. Mạng đa chặng đang được sự quan tâm rất lớn từ cộng đồng nghiên cứu bằng cách giới thiệu relay để chuyển tiếp tín hiệu từ nguồn đến đích ở xa, dung lượng kênh được tăng lên và vùng phủ sóng có thể được mở rộng. Có 2 loại relay chính được xác định và sử dụng trong các nghiên cứu là: khuyếch đại và chuyển tiếp (AF – Amplify and Forward) và mã hóa và chuyển tiếp (DF – Decode and Forward) GVHD: TS.Hồ Văn Khương 7 HV: Trần Minh Cương Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học OFDM là một kỹ thuật tối ưu nhằm giảm thiểu vấn đề về lựa chọn tần số và nhiễu liên ký tự. Do đó, vấn đề độ rộng băng thông hệ thống nhiều chặng , sự kết hợp của hệ thống đa chặng và điều chế là cách hứa hẹn nhằm tăng dung lượng hệ thống vùng phủ sóng. Tuy nhiên, tỷ lệ fading khác nhau của các kênh thì độc lập đôi khi kênh bị fading nặng trên chặng nguồn – relay thì trên chặng relay – đích lại ít bị fading. Do đó, dung lượng kênh của các cặp kênh (giữa hai chặng ) bị giới hạn bởi kênh có dung lượng thấp. Nó làm giảm dung lượng toàn hệ thống, nếu việc lựa chọn cặp kênh không đúng. Chọn cặp kênh phụ (subchannel) nghĩa là dữ liệu truyền trên kênh nguồn – relay sẽ được truyền trên kênh relay – đích nào đó thỏa mãn mong muốn của chúng ta. Đó chính là động cơ cho chúng ta trong việc xem xét việc chọn kênh phụ thích nghi và phân phát công suất, khi mà bit dữ liệu được truyền trên kênh này có thể được định dạng trên khác. Khi thỏa mãn được các yêu cầu trên thì bài toán của chúng ta sẽ trở thành ghép kênh tối ưu và phân phối công suất. Hệ thống OFDM đa chặng được xem xét như việc truyền từ nguồn đến đích sử dụng một relay. Ta đang xem xét với decode-and-forward relay. Tất cả các điểm truyền dẫn đều được trang bị một antenna, chúng có thể thu phát tín hiệu một cách độc lập. Ta giả sử rằng đích chỉ nhạn được tín hiệu từ Relay chứ không nhận từ nguồn do khoảng cách hay cản trở khác. Việc truyền của ta thông qua hai trạng thái được giả định chấp nhận, truyền từ nguồn đến đích thông qua hai khe thời gian (time-slot) bằng nhau. Khi nguồn truyền mẫu tin đến relay qua khe thời gian đầu thi relay sẽ nhận và mã hóa lại, truyền tiếp đến đích trong khe thời gian thứ hai. Đích sẽ giải mã tín hiệu nhận được từ relay kết thúc hệ thông được mô tả như hình sau: Hình 1.2: Mô hình mạng hai chặng thông qua relay dựa trên kỹ thuật OFDM Trong đề tài này chúng ta giả sử rằng các kênh có thông số fading độc lập nhau hệ thông bao gồm N sóng mạng ràng buộc về công suất cho toàn hệ thống mật độ phổ công suất nhiễm cộng trắng (AWGN) bằng nhau tại nguồn và relay. GVHD: TS.Hồ Văn Khương 8 HV: Trần Minh Cương Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học Tôi đề suất một giải pháp cho việc tối ưu chọn lựa ghép kênh, phân phát công suất và bit loading cực đại dung lượng kênh truyền với công suất và BER được kiểm soát cho hệ thống OFDM đa chặng. Với đề tài “Ghép Sóng Mang Phụ, Phân Phối Công Suất và Bit Loading Trong Hệ Thống OFDM” nhằm thực hiện mục tiêu đã nêu. Các chương được trình bày như sau: Chương 1 trình bày về các đặc tính kênh truyền đa sóng mang và OFDM, trong Chương 2 sẽ trình bày xác suất lỗi khi ta thực hiện các phương pháp điều chế khác nhau trên mỗi sóng mang phụ. Các giải thuật ghép kênh, phân phối công suất và bit loading cho hệ thống OFDM đa chặng sẽ được nêu lên trong chương 3. Chương 4 thể hiện kết quả mô phỏng và đánh giá các phương pháp và các hệ thống. CHƯƠNG 1 CÁC ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN ĐA SÓNG MANG VÀ OFDM 1.1. Đặc Tính Kênh Truyền Vô Tuyến Chương này mô tả các đặc tính cơ bản của thông tin vô tuyến trong thực tế hiện nay. Hiểu được đặc tính của môi trường truyền thông là điều tiên quyết nhằm lựa chọn cấu trúc hệ thống phù hợp, độ lớn của các thành phần và tối ưu hóa các thông số của hệ thống. Đặc biệt là kênh truyền thông tin di động được xem như là kênh truyền khó nhất, nó bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố như multipath fading, interference, Doppler shift và shadowing. Ví dụ cách lựa chọn các thành phần của hệ thống cũng khác nhau nếu hiện tượng đa đường có phần trội hơn tín hiệu vô tuyến cần truyền đi. Do đó, mô hình kênh truyền chính xác nhất sẽ mô tả đặc tính của sóng vô tuyến lan truyền trong các môi trường khác nhau như di động/cố định và trong nhà/ngoài trời là cần thiết. Điều đó có thể cho phép một mô hình thông qua mô phỏng nhằm đánh giá và xác nhận đặc tính của phương pháp cho kênh truyền trong một số pha thiết kế của nó. 1.1.1. Kênh Truyền Vô Tuyến Trong kênh truyền vô tuyến, tín hiệu truyền bị ảnh hưởng từ nhiều yếu tố. Được mô tả như sau: Lan truyền đa đường xuất hiện như một chuỗi các phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ của sóng điện từ truyền đi trong tự nhiên và các vật thể nhân tạo. Do đó, tại đầu antenna thu, biên độ của sóng tới từ nhiều hướng khác nhau với độ trễ khác nhau, suy hao biên độ và GVHD: TS.Hồ Văn Khương 9 HV: Trần Minh Cương Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học pha. Chồng chập của các sóng mang về biên độ và pha khác nhau tạo ra một tín hiệu thu tổ hợp. Khoảng cách Doppler tạo ra bởi vật thể di chuyển trong kênh truyền di động. Thay đổi về pha và biên độ của sóng đến tạo ra sự lan truyền đa đường thời gian thay đổi. Mặc dù sự thay đổi vị trí rất nhỏ trong trật tự của chiều dài sóng có thể làm thay đổi hoàn toàn kết quả của chồng chập sóng thu. Sự thay đổi độ lớn của tín hiệu do lan truyền đa đường thời gian thay đổi được gọi là fast fading. Hình 1.3 Sự lan truyền đa đường thay đổi thời gian Shadowing tạo ra bởi sự cản trở của các sóng truyền đi, ví dụ như đồi núi, nhà cao tầng, tường, cây cối tạo ra sự mạnh yếu trong suy hao của tín hiệu. So sánh với fast fading, khoảng cách xa hơn phải được tính toán kỹ hơn trong thay đổi tích hợp shadowing. Sự thay đổi về độ mạnh yếu của tín hiệu do shadowing được gọi là slow fading. Path Loss mô tả bằng cách nào trung bình công suất tín hiệu suy hao với khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu. Trong không gian tự nhiên, công suất tín hiệu trung bình giảm với bình phương khoảng cách từ trạm gốc (base station) đến trạm đầu cuối (terminal station). Trong kênh truyền vô tuyến di động, nơi thường không có đường truyền thẳng tồn tại, công suất tín hiệu giảm với lớn hơn hai lần và tham chiếu là ba hay năm lần. GVHD: TS.Hồ Văn Khương 10 HV: Trần Minh Cương Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học Sự thay đổi của công suất tín hiệu thu do shadowing và path loss có thể kiểm soát hiệu quả bằng cách điều khiển công suất. Tiếp theo sẽ là kênh truyền vô tuyến được mô tả với đặc tính fast fading của nó. 1.1.2. Mô Hình Kênh Truyền Kênh truyền vô tuyến di động có thể được mô tả bằng đáp ứng xung thay đổi theo thời gian , hay hàm truyền thay đổi theo thời gian , – là biến đổi Fourier của , . Đáp ứng xung của kênh truyền thể hiện đáp ứng của kênh truyền tại thời điểm t do một xung tại thời điểm . Kênh truyền vô tuyến di động được giả định là quá trình ngẫu nhiên dừng tổng quát, nghĩa là kênh truyền có thống kê fading được giữ ở mức hằng số trong khoảng thời gian ngắn hay trong khoảng cách nhỏ. Trong môi trường với sự lan truyền đa đường, đáp ứng xung là tổ hợp của nhiều đáp ứng nhận được từ Np đường khác nhau: , 1.1 , Trong đó: 1 ê 0 Còn , , , ̀ ́ 1.2 lần lượt là biên độ, tần số Doppler, pha và độ trễ lan truyền với các đường p, p=0,…,Np – 1. Khi đó công thức hàm truyền sẽ là , , 1.3 Độ trễ sẽ được tính toán liên quan đến đường đầu tiên nhận được tại bộ thu. Tần số Doppler sẽ là: cos 1.4 , Tùy thuộc vào tốc độ và góc tới của trạm cuối, tốc độ của ánh sáng c, tần số sóng mang của đường p. Đáp ứng xung của kênh truyền với đáp ứng của hàm truyền được mô tả trong hình 1.2. GVHD: TS.Hồ Văn Khương 11 HV: Trần Minh Cương Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học Độ trễ của mật độ phổ công suất , đặc tả lựa chọn tần số của kênh truyền vô tuyến di động (cho công suất trung bình của ngõ ra kênh truyền) như hàm của độ trễ . Độ trễ trung bình , giá trị trung bình hiệu dụng (RMS) của trễ lan truyền lớn nhất và độ trễ là các thông số đặc tính của mật độ phổ công suất trễ. Giá trị trễ trung bình sẽ là: ∑ Ω ∑ Ω (1.5) Với a Ω (1.6) Là công suất của đường p Hình 1.4 Đáp ứng xung thay đổi theo thời gian và đáp ứng của hàm truyền lựa chọn tần số fading Độ trễ lan truyền hiệu dụng được định nghĩa là ∑ ∑ Ω 1.7 Ω Tương tự thế, mật độ phổ công suất Doppler S(fD) có thể được định nghĩa các đặc tính thời gian thay đổi của kênh vô tuyến di động và cho công suất trung bình của ngõ ra kênh truyền như một hàm của tần số Doppler fD. Tính chất phân tán tần số của kênh truyền đa đường hầu như được tính toán bằng tần số Doppler cực đại fDmax và tần số Doppler trải fDspread . Doppler trải là băng thông của mật độ phổ công suất và có thể lấy giá trị lên đến hai lần | | nghĩa là GVHD: TS.Hồ Văn Khương 12 HV: Trần Minh Cương Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học 2| | 1.8 1.1.3. Thống Kê Kênh Truyền Fading Thống kê đặc tính của quá trình fading quan trọng để biểu diễn mô hình kênh truyền. Một cách tiếp cận đơn giản và thường được sử dụng là giả sử có một số lớn các tán xạ trong kênh truyền được phân phối cho tín hiệu tại đầu thu. Ứng dụng lý thuyết giới hạn trung tâm dẫn đến một quá trình Gaussian giá trị tổ hợp cho đáp ứng xung của kênh truyền. Trong trường hợp không có tầm nhìn thẳng hay bỏ qua các thành phần quan trọng, quá trình có trung bình bằng zero. Biên độ của đáp ứng hàm truyền | , , | 1.9 Là một biến ngẫu nhiên, viết tắt là a, với phân bố Rayleigh như sau 2 Ω Trong đó /Ω 1.10 1.11 Ω Là công suất trung bình. Pha là phân bố đơn vị chuẩn trong khoảng [0, 2 ]. Trong trường hợp đa đường có line-of-sight (LOS) hay các thành phần cốt lõi cộng với tán xạ ngẫu nhiên. Với giả định của giá trị phức hợp của quá trình ngẫu nhiên Gaussian cho đáp ứng xung của kênh truyền, biên độ a của hàm truyền có phân bố Rice được cho như sau: 2 Ω Hệ số K hiệu tán xạ. /Ω K 2 K Ω 1.12 được định nghĩa là tỉ lệ của đường tín hiệu chính với các đường tín là bậc zero của hàm điều chỉnh Bessel loại 1. Pha phân bố đơn vị chuẩn trong khoảng [0, 2 ]. 1.1.4. Giao Thoa Liên Ký Tự (ISI) và Liên Kênh (ICI) Trễ lan truyền có thể do nhiễu giao thoa liên ký tự inter-ký tự interfere khi dữ liệu của ký tự này chồng lấp và giao thoa với các ký tự khác tạo ra các độ trễ khác nhau trên các đường truyền. Số ký tự bị giao thoa trên một sóng mang đơn đã điều chế được cho bởi GVHD: TS.Hồ Văn Khương 13 HV: Trần Minh Cương Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học 1.13 , Đối với luồng dữ liệu tốc độ cao với chu kỳ ký tự ngắn , thì ảnh hưởng của ISI và độ phức tạp của bộ nhận càng tăng lên đáng kể. Ảnh hưởng của ISI có thể được ước lượng bằng như lượng tử hóa trong miền thời gian hay miền tần số. Trong hệ thống trải phổ bộ thu RAKE với một số arms được sử dụng nhằm giảm ảnh hưởng của ISI bằng cách thực hiện phân tập đa đường với các arms thích nghi đối với các đường lan truyền khác nhau. Nếu chu kỳ của ký tự truyền đi lớn hơn nhiều độ trễ lớn nhất , ISI cho kênh truyền có thể bỏ qua được. Ảnh hưởng của được xem xét với kênh truyền đa sóng mang, khi chu kỳ mỗi ký tự truyền đi tăng cùng với số sóng mang phụ Nc sẽ làm cho lượng ISI giảm. Số ký tự giao thoa trong hệ thống đa sóng mang sẽ là 1.14 , Các ISI còn lại có thể được loại trừ bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ (mục 2) Doppler tối đa trải trong ứng dụng vô tuyến di động sử dụng điều chế sóng mang đơn thì khoảng cách giữa các kênh kế cận, ảnh hưởng giao thoa đối với kênh kế cận do trải Doppler không phải là vấn đề đối với hệ thống sóng mang đơn. Đối với hệ thống điều chế đa sóng mang, khoảng cách giữa các sóng mang phụ Fs trở nên rất nhỏ, do đó ảnh hưởng Doppler tạo nên giao thoa liên kênh ICI. Ngay khi tất cả các sóng mang bị ảnh hưởng bởi dịch tần số Doppler chung fD , dịch Doppler này có thể làm cân bằng cho bộ thu và nhiễu ICI có thể được loại bỏ. Tuy nhiên, nếu Doppler dịch đến vài phần trăm của khoảng cách sóng mang phụ, ICI có thể làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ thống. Để tránh ICI làm giảm hiệu suất hệ thống hay bộ thu phức tạp với lượng tử hóa ICI, khoảng cách giữa các sóng mang phụ nên được chọn là 1.15 Khi đó ảnh hưởng của trải Doppler có thể được loại bỏ. Cách tiếp cận này giống nguyên lý của OFDM sẽ được trình bày trong mục 2 và được áp dụng cho chuẩn không dây ngày nay dựa trên nền OFDM. GVHD: TS.Hồ Văn Khương 14 HV: Trần Minh Cương Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học Tuy nhiên, nếu hệ thống đa sóng mang thiết kế chọn trễ Doppler bằng với khoảng cách sóng mang phụ hay cao hơn, một bộ thu RAKE trong miền tần số có thể được sử dụng. Với bộ thu rake trong miền tần số, mỗi nhánh của rake giải quyết tần số Doppler khác nhau. 1.1.5. Ví Dụ Về Mô Hình Kênh Truyền Đa Đường Rời Rạc Nhiều mô hình kênh truyền đa đường rời rạc được sử dụng cho hệ thống cellular trong nhà và ngoài trời với các kích thước cell khác nhau áp dụng. Những mô hình kênh truyền này xác định tính thống kê của các đường rời rạc. Một số mô hình kênh truyền đa đường được sử dụng rộng rãi như sau: COST 207 [8]: COST 207 mô hình kênh truyền chỉ định trường hợp bốn macro cell ngoài trời liên tục, giảm theo hàm mũ mật độ phổ công suất trễ. Thực hiện những mật độ phổ này bằng các tap(đường) rời rạc lên đến 12 taps. Ví dụ cài đặt 6 taps như trong bảng 1.1. trong bảng này cho một số môi trường truyền với đáp ứng trễ và mô hình công suất đã được đưa ra. Địa hình đối núi gây ra tín hiệu dội xa nhất. Bảng 1.1 Thiết lập mô hình kênh truyền cho COST 207 [8] với 6 taps COST 231[9] và COST 259[10]: Những COST này hoạt động tiếp nối COST 207, mở rộng đặc tính kênh cho DCS 1800, DECT, HIPERLAN và kênh truyền UMTS được sử dụng cho trường hợp cell macro, micro và pico. Mô hình kênh truyền với cách tính toán từng phần được đưa ra trong COST 259. Những thành phần rời rạc được giới thiệu bằng GVHD: TS.Hồ Văn Khương 15 HV: Trần Minh Cương