Hcmute ứng dụng kỹ thuật thích nghi trong hệ thống wimax di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

ỨNG DỤNG KĨ THUẬT THÍCH NGHI
TRONG HỆ THỐNG WIMAX DI ĐỘNG
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2014-49TĐ

S KC 0 0 4 8 1 0

Tp. Hồ Chí Minh, 2014

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO ĐỀ TÀI CẤP TRƢỜNG TRỌNG ĐIỂM
ĐỀ TÀI :
ỨNG DỤNG KĨ THUẬT THÍCH NGHI
TRONG HỆ THỐNG WIMAX DI ĐỘNG

Chủ nhiệm

:

Đồng chủ nhiệm

PGS.TS. PHẠM HỒNG LIÊN
:

ThS Nguyễn Đức quang

TP. HCM , 11/2014
1

Luan van

MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................................. 2
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT........................................................................................... 5
DANH SÁ CH HÌNH VẼ ........................................................................................................... 7
TÓM TẮT ĐỀ TÀI .................................................................................................................. 10
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 12
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ...........................................................................................................16
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ............................................................................................................19
PHẠM VI NGHIÊN CỨU ...............................................................................................................19
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................................................................20
CẤU TRÚC ĐỀ TÀI ........................................................................................................................20

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................................... 21
1.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG ...........................................................................................................21
1.2 TỔNG QUAN VỀ ƢỚC LƢỢNG KÊNH TRÙN TRONG HỆ THỚNG OFDM ...........21
1.2.1 Giới thiêụ ......................................................................................................................................21
1.2.2 Mơ hin
̀ h toán tín hiêụ phía phát ...................................................................................................22
1.2.3 Pilot cho giải pháp ƣớc lƣơ ̣ng kênh truyền: .................................................................................22
1.2.4. Kỹ thuật nội suy trong ƣớc lƣợng kênh truyền sử dụng chuỗi huấn luyện dạng lƣợc ( comb
pilot) ......................................................................................................................................................23
1.2.5 Khoảng bảo vệ trong hệ thống OFDM .........................................................................................24
1.2.6 Kênh truyề n fading và đô ̣ dich
̣ tầ n số sóng mang ........................................................................24
1.2.7 Mô hin
̀ h tín hiêụ thu .....................................................................................................................25
1.2.8 Phân tích ảnh hƣởng nhiễu trong hê ̣thố ng OFDM .....................................................................25
1.2.9 Phân tích ảnh hƣởng của quá trin
̀ h đồ ng bô ̣ trong hê ̣thớ ng OFDM ..........................................27

1.3 TỞNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP ƢỚC LƢỢNG KÊNH TRUYỀN...............................30
1.3.1 Giải pháp bình phƣơng nhỏ nhất (Least Square) ........................................................................30
1.3.2 Giải pháp trung bình bình phƣơng n hỏ nhất (MMSE)................................................................32
1.3.3 Các giải pháp bộ cân bằng thích nghi ..........................................................................................33
1.3.4 Các giải pháp kết hợp ƣớc lƣợng kênh truyền và độ dịch tần sớ. ................................................37

1.4 HỆ THỚNG OFDM VÀ TIÊU CHUẨN WiMAX DI ĐỘNG ................................................38
1.4.1 Các chuẩn khác nhau của WiMAX ..............................................................................................38
1.4.2 Ứng dụng tiêu chuẩn WiMAX di động trong hệ thống OFDM .........................................................40

CHƯƠNG 2. CÁC GIẢI PHÁP THÍCH NGHI BỢ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN SỬ
DỤNG TḤT TOÁ N KALMAN .......................................................................................... 42
2.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG ...........................................................................................................42
2.2 GIẢI PHÁP ƢỚC LƢỢNG KÊNH TRUYỀN SƢ̉ DỤNG MÔ HÌNH BỘ LỌC KALMAN.
............................................................................................................................................................42
2.2.1 Giới thiêụ các giải pháp ƣớc lƣợng kênh truyền sử dụng thuật toán Kalman ............................42
2.2.2 Giải pháp ƣớc lƣợng kênh truyền sử dụng thuật toán Kalman (dựa theo nghiên cứu [14]- 2012)
...............................................................................................................................................................44

2

Luan van


2.2.3 Giải pháp ƣớc lƣợng kênh truyền dựa trên bộ lọc Kalman mở rộng theo nghiên c ứu [47]. .......48
2.2.4 Giải pháp ƣớc lƣợng kênh truyền sử dụng thuật toán Kalman mở rộng mơ hình nhiều biếndựa
theo nghiên cứu [15] ..............................................................................................................................51

2.3 ĐÁNH GIÁ TÍNH CHÍNH XÁC CỦA CÁC THUẬT TỐN ...............................................55
2.4 MƠ PHỎNG CÁC THUẬT TỐN .........................................................................................56

2.5 KẾT LUẬN CÁC THUẬT TOÁN ............................................................................................59
2.6 KẾT LUẬN CHƢƠNG ..............................................................................................................59

CHƯƠNG 3. CÁC GIẢ I PHÁ P TRIỆT NHIỄU ICI ............................................................. 60
3.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG ...........................................................................................................60
3.2 GIỚI THIỆU CÁC PHƢƠNG PHÁP TRIỆT TIÊU NHIỄU ICI..........................................60
3.2.1 Giới thiệu các nghiên cứu triệt tiêu và giảm nhiễu ICI ................................................................60
3.2.2 Các phƣơng pháp triệt tiêu nhiễu ICI ..........................................................................................61

3.3 NHẬN XÉT CÁC THUẬT TOÁN ...........................................................................................69
3.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG ..............................................................................................................69

CHƯƠNG 4. GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT CHO BÀI TOÁN ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN.. 71
4.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG ...........................................................................................................71
4.2 GIỚI THIỆU CÁC GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT ............................................................................71
4.3 GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT 1 ...........................................................................................................72
4.3.1 Giới thiêụ giải pháp đề xuấ t 1 ......................................................................................................72
4.3.2 Xây dựng mô hin
̀ h toán cho giải pháp đề xuất:...........................................................................73
4.3.3 Mô phỏng giải pháp 1 ...................................................................................................................78
4.3.4 Nhận xét giải pháp 1 .....................................................................................................................82

4.4 GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT 2 ...........................................................................................................82
4.4.1 Giới thiêụ giải pháp đề xuất 2 ......................................................................................................82
4.4.2 Xây dựng giải thuật tối ƣu khoảng bảo vệ kết hợp ƣớc lƣợng kênh truyền và độ dịch tần ........86
4.4.3 Mô phỏng thuật toán ....................................................................................................................87
4.4.4 Nhận xét giải pháp 2 .....................................................................................................................90

4.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG ..............................................................................................................91

CHƯƠNG 5. MÔ PHỎ NG, THỰC HIỆN VÀ ĐÁ NH GIÁ CÁC GIẢ I PHÁ P .................... 92
5.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG ...........................................................................................................92
5.2 MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH CÁC GIẢI PHÁP.......................................................................92
5.2.1 Thông số mô phỏng cho giải pháp: ...............................................................................................92
5.2.2 Đánh giá hiêụ quả của giải pháp .................................................................................................92
2.3.3 Đánh giá đô ̣ phƣ́c ta ̣p của các giải pháp .....................................................................................107

5.3 KẾT LUẬN CÁC GIẢI PHÁP................................................................................................107
5.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG ............................................................................................................107

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................................... 109
6.1 KẾT LUẬN ĐỀ TÀI ................................................................................................................109
6.2 KẾT LUẬN VỀ NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ..................................................110
6.3 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI: .................................................................................110

3

Luan van


TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 111

4

Luan van


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADSL

Asymmetric Digital
Subscriber Line

AWGN

Đường dây thuê bao số không
đối xứng

Additive White Gaussian

Nhiễu tạp âm trắng

Noise
ASK

Ammplitude Shift Keying

Điều chế biên độ

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ bit lỗi

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

CDMA

Code Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo mã

Access
CP

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp cho khoảng bảo vệ

CIR

Channel Impulse Response

Đáp ứng xung của kênh

DMT

Discrete Multi-Tone

Điều chế đa tần rời rạc

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi DFT

DAB

Digital Audio Broadcasting

Hệ thống phát thanh số và truyền
hình số liệu tốc độ cao

DRM

Digital Ratio Mondiale

Hệ thống phát thanh số đường
dài

DVB-T

Digital Video Broadcasting

Hệ thống truyền số mặt đất

EKF

Extended Kalman Filtering

Bộ lọc Kalman mở rộng

FDM

Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần số

Multiplexing
FEC

Forward Error Correcting

Phương pháp sử lỗi hướng lên

FFT

Fast Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier nhanh

5

Luan van


GI

Guard Interval

Chuỗi bảo vệ

ICI

Inter-Carier Channel

Nhiễu liên sóng mang

Interference
ISI

InterSymbol Interference

Nhiễu liên mẫu tín hiệu

IDFT

Inverse Discrete Fourier

Phép biến đổi ngược Fourier

Transform
IFFT

Inverse FFT

Thuật toán biến đổi nhanh ngược
Fourier

ML

Maximum Likelihood

Bộ giải mã hợp lệ cực đại

MIMO

Multiple Input Multiple

Hệ thống đa anten phát và thu

Output
OFDM

Orthogonal Frequency
Division Multiplexing

PAPR

Peak to Average Power

Ghép kênh phân chia theo tần số
trục giao
Công suất tương đối cực đại

Ratio
PSK

Frequency Shift Keying

Điều chế tần số

QAM

Quadrature Amplitude

Phép điều chế biên độ

Modulation
QPSK

Quadrature Phase-Shift

Điề u chế QPSK

Keying
SC

Self - Cancellation

Tự triê ̣t tiêu

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm

RF

Radio Frequency

Tần số vơ tuyến

TDM

Time Division Multiplex

Ghép kênh phân chia thời gian

WiMAX

Worldwide Interoperability

Tiêu chuẩ n WiMAX

for Microwave Access
WLAN

Wiless Local Area Network
6

Luan van

Mạng không dây cục bộ


DANH SÁCH HÌ NH VẼ

Hình 1.1 Mô hình hê ̣ thố ng OFDM ....................................................................................................... 22
Hình 1.2 Sắp xếp pilot dạng khối .......................................................................................................... 23
Hình 1.3 Sắp xếp pilot dạng lược .......................................................................................................... 23
Hình 1.4 Mô hình tín hiê ̣u phía thu ....................................................................................................... 25

Hình 1. 5 Ảnh hưởng của khoảng bảo vệ GI nỏ .................................................................................... 26
Hình 1.6 Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM ............................................................ 27
Hình 1. 7 Sơ đồ giải thuật cân bằng thích nghi LMS ............................................................................ 34
Hình 1. 8 Sơ đồ hệ thống Kalman ......................................................................................................... 35
Hình 1. 9 Sơ đồ bộ dự đoán một bước của bộ lọc Kalman mở rộng ..................................................... 36
Hình 1. 10 Chuẩn không dây toàn cầu .................................................................................................. 39

Hình 2. 1 Sơ đồ khối của hệ thống thu phát OFDM.............................................................................. 44
Hình 2. 2 Mô hình ước lượng Kalman trong hệ thống ước lượng và cân bằng kênh truyền ................ 45
Hình 2. 3 So sánh MSE trên tại các vị trí kí tự OFDM tương ứng với ảnh hưởng fading và vận tốc di
chuyển cho giải thuật Kalman ............................................................................................................... 47
Hình 2. 4 So sánh MSE trên tại các vị trí kí tự OFDM tương ứng với số lần lặp với SNR 20 dB, vân tốc
di chuyển 30 km/h.................................................................................................................................. 48
Hình 2. 5 So sánh MSE trên tại các vị trí kí tự OFDM tương ứng với ảnh hưởng fading và vận tốc di
chuyển, tai SNR 20 dB cho thuật toán Kalman mở rộng....................................................................... 51
Hình 2. 6 Mơ phỏng BER cho các thuật tốn với vận tốc di chuyển 1 km/h ......................................... 57
Hình 2. 7 Mô phỏng MSE các kênh truyền ước lượng cho các thuật toán với vận tốc di chuyển 1 km/h
............................................................................................................................................................... 57
Hình 2. 8 Mơ phỏng BER cho các thuật tốn với vận tốc di chuyển 30 km/h ....................................... 58
Hình 2. 9 Mô phỏng MSE cho các thuật toán với vận tốc di chuyển 30 km/h ...................................... 58

Hình 3. 1 Mơ hình của độ dịch tần số. .................................................................................................. 61
Hình 3. 2 Biên độ của S(l-k) theo ε với NFFT=64 thang dB theo nghiên cứu [50] .............................. 62
Hình 3. 3 Độ dịch tần số ước lượng với độ dịch tần số thực tại các giá trị SNR khác nhau theo nghiên
cứu [52] ................................................................................................................................................. 64
Hình 3. 4 So sánh các hệ số ICI theo nghiên cứu ................................................................................. 67
Hình 3. 5 So sánh hệ thống OFDM cơ bản và hệ thống OFDM sử dụng phương pháp tự triệt ICI theo
nghiên cứu [51] ..................................................................................................................................... 69

Hình 4. 1 Mơ hình hê ̣ thố ng ước lượng đồ ng thời kênh truyề n và độ di ̣ch tầ n số ................................. 74

Hình 4. 2 Mơ phỏng BER các giải pháp với độ dịch tần e=0 và e=0.1 với vận tốc di chuyển 40 km/h 79
Hình 4. 3 Mơ phỏng MSE các giải pháp với độ dịch tần e=0 và e=0.1 với vận tốc di chuyển 40 km/h79
Hình 4. 4 Mơ phỏng BER các giải pháp với độ dịch tần e=0 và e=0.1 với vận tốc di chuyển 80 km/h 80
Hình 4. 5 Mô phỏng MSE các giải pháp với độ dịch tần e=0 và e=0.1 với vận tốc di chuyển 80 km/h80

7

Luan van


Hình 4. 6 Mơ phỏng MSE của độ dịch tần offset ước lượng cho giải pháp đề xuất trong các mơi trường
với các vận tốc di chuyển khác nhau..................................................................................................... 81
Hình 4. 7 Ảnh hưởng của đa đường đối với khoảng bảo vệ khơng mang tín hiệu ................................ 83
Hình 4. 8 Ảnh hưởng của việc sử sụng và không sử khoảng bảo vệ GI ................................................ 84
Hình 4. 9 Sự mở rộng chu kỳ của kí tự OFDM ..................................................................................... 84
Hình 4. 10 Chèn khoảng dự trữ vào ký hiệu OFDM............................................................................. 85
Hình 4. 11 Mô tả ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong chống nhiễu ISI ................................................... 85
Hình 4. 12 Sơ đồ khối hệ thống OFDM sử dụng khoảng bảo vệ tối ưu ................................................ 86
Hình 4. 13 Minh họa tính tốn độ trãi trễ hiệu dụng dựa vào ước lượng kênh truyền ......................... 87
Hình 4. 14 Mơ phỏng BER cho các giải pháp với độ dịch tần offset=0.1 và vận tốc di chuyển 60 km/h
............................................................................................................................................................... 88
Hình 4. 15 Mơ phỏng MSE cho các giải pháp với độ dịch tần offset=0.1 và vận tốc di chuyển 60 km/h
............................................................................................................................................................... 88
Hình 4. 16 Mơ phỏng BER cho các giải pháp với độ dịch tần offset=0.1 và vận tốc di chuyển 120 km/h
............................................................................................................................................................... 89
Hình 4. 17 Mơ phỏng MSE cho các giải pháp với độ dịch tần offset=0.1 và vận tốc di chuyển 120 km/h
............................................................................................................................................................... 89

Hình 5. 1 Mô phỏng BER cho các giải pháp với vận tốc di chuyển 1 km/h .......................................... 93
Hình 5. 2 Mơ phỏng MSE cho các giải pháp với vận tốc di chuyển 1 km/h.......................................... 94

Hình 5. 3 Mơ phỏng BER cho các giải pháp với vận tốc di chuyển 30 km/h ........................................ 94
Hình 5. 4 Mơ phỏng MSE cho các giải pháp với vận tốc di chuyển 30 km/h........................................ 95
Hình 5. 5 Mô phỏng BER cho các giải pháp với vận tốc di chuyển 120 km/h ...................................... 95
Hình 5. 6 Mơ phỏng MSE cho các giải pháp với vận tốc di chuyển 120 km/h...................................... 96
Hình 5. 7 Mơ phỏng BER cho các giải pháp với độ dịch tần offset = 0.1 và vận tốc di chuyển 1 km/h 97
Hình 5. 8 Mô phỏng MSE cho các giải pháp với độ dịch tần offset=0.1 và vận tốc di chuyển 1 km/h. 97
Hình 5. 9 Mô phỏng BER cho các giải pháp với độ dịch tần offset=0.1 và vận tốc di chuyển 60 km/h 98
Hình 5. 10 Mơ phỏng BER cho các giải pháp với độ dịch tần offset=0.1 và vận tốc di chuyển 60 km/h
............................................................................................................................................................... 99
Hình 5. 11 Mơ phỏng BER cho các giải pháp với độ dịch tần offset=0.1 và vận tốc di chuyển 120 km/h
............................................................................................................................................................... 99
Hình 5. 12 Mơ phỏng MSE cho các giải pháp với độ dịch tần offset=0.1 và vận tốc di chuyển 120 km/h
............................................................................................................................................................. 100
Hình 5. 13 Mô phỏng khả năng hội tụ cho các giải pháp với vận tốc di chuyển 1 km và không offset
............................................................................................................................................................. 101
Hình 5. 14 Mơ phỏng MSE các kênh truyền ước lượng cho các giải pháp với vận tốc di chuyển 1 km
và khơng offset..................................................................................................................................... 101
Hình 5. 15 Mơ phỏng khả năng hội tụ cho các giải pháp với vận tốc di chuyển 1 km và offset bằng 0.1
............................................................................................................................................................. 102
Hình 5. 16 Mô phỏng MSE các kênh truyền ước lượng cho các giải pháp với vận tốc di chuyển 1 km
và offset bằng 0.1 ................................................................................................................................ 102
Hình 5. 17 Mơ phỏng khả năng hội tụ cho các giải pháp với vận tốc di chuyển 60 km/h và khơng offset
............................................................................................................................................................. 103
Hình 5. 18 Mô phỏng MSE các kênh truyền ước lượng cho các giải pháp với vận tốc di chuyển 60
km/h và không offset ............................................................................................................................ 103
Hình 5. 19 Mơ phỏng khả năng hội tụ cho các giải pháp với vận tốc di chuyển 60 km/h và offset 0.1
............................................................................................................................................................. 104

8

Luan van


Hình 5. 20 Mơ phỏng MSE các kênh truyền ước lượng cho các giải pháp với vận tốc di chuyển 60
km/h và offset 0.1................................................................................................................................. 104
Hình 5. 21 Mơ phỏng khả năng hội tụ cho các giải pháp với vận tốc di chuyển 120 km/h và khơng
offset .................................................................................................................................................... 105
Hình 5. 22 Mô phỏng MSE các kênh truyền ước lượng cho các giải pháp với vận tốc di chuyển 120
km/h và không offset ............................................................................................................................ 105
Hình 5. 23 Mơ phỏng khả năng hội tụ cho các giải pháp với vận tốc di chuyển 120 km/h và offset 0.1
............................................................................................................................................................. 106
Hình 5. 24 Mơ phỏng MSE các kênh truyền ước lượng cho các giải pháp với vận tốc di chuyển 120
km/h và offset 0.1................................................................................................................................. 106

9

Luan van


TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Trong các tiêu chuẩn 4G hiện nay, các giải pháp ước lượng kênh truyền được sử
dụng vẫn là các giải thuật đơn giản như Least Square. Cấu trúc pilot là cấu trúc dạng
xen kẽ (dạng lược) để có thể ước lượng được sự thay đổi nhanh của kênh truyền theo
thời gian cũng như ảnh hưởng nhiều của fading. Mặt khác, tiêu chuẩn 4G sử dụng kĩ
thuật OFDM rất nhạy với ảnh hưởng của đồng bộ và độ dịch tần Doppler. Vì vậy việc
đồng bộ khung được thực hiện tại đầu khung bằng truyền các Preamble (là các kí tự
OFDM đã được biết trước ở bộ phát và thu). Như vậy, hệ thống có khả năng chịu sự
ảnh hưởng của độ dịch tần số ở giữa khung truyền, ngoài ra giải pháp ước lượng vẫn ở
mức đơn giản và truyền thống chưa thực sự tối ưu cho tài nguyên của hệ thống. Ngoài
ra, các giải pháp ước lượng dựa trên cấu trúc pilot xen kẽ chịu ảnh hưởng lớn bởi sai

số do nội suy, mọi tính tốn về ước lượng đều diễn ra các vị trí tần số pilot sau đó
được ước lượng các vị trí cịn lại thơng qua nội suy. Vì chỉ diễn ra trên các tần số pilot
nên thơng tin phía thu tại các tần số khác khơng được sử dụng đến. Chính vì vậy hệ
thống không chỉ ảnh hưởng sai số của nội suy mà cịn chưa sử dụng hết thơng tin sẵn
có tại bộ thu.
Các thuật tốn ước thích nghi với việc tính tốn dựa vào các thơng tin q khứ cho kết
quả tốt hơn các giải thuật truyền thống thường là những thuật tốn dựa vào các thơng
tin trực tiếp trong các điều kiện môi trường thay đổi chậm, tuy nhiên khi điều kiện mơi
trường thay đổi nhiều thì rủi ro rất lớn cho chất lượng hệ thống. Trong khi đó, các
thuật tốn ước lượng trực tiếp dù khơng cho kết quả tốt so với giải thuật thích nghi
trong các điều kiện ổn định nhưng là giải pháp hiệu quả khi môi trường thay đổi nhiều
vì chỉ dựa vào các thơng tin hiện tại để tính tốn
Vì vậy, để khắc phục các vấn đề trên, Đề tàiđề xuất một giải pháp kết hợp những ưu
điểm của các giải pháp truyền thông sử dụng thuật toán ước lượng trực tiếp và những
ưu điểm của các thuật tốn thích nghi để cho kết quả tối ưu nhất trong cả điều kiện môi
trường thay đổi cả nhanh và chậm. Giải pháp còn là sự kết hợp của thuật toán ước
lượng kênh truyền và ước lượng độ dịch tần tiêu chuẩn đồng thời sử dụng mô hình của
bộ lọc Kalman mở rộng. Khơng như các giải pháp khác bị ảnh hưởng sai số nội suy
lớn cũng chỉ dùng các thơng tin phía thu tại các tần số pilot do cấu trúc pilot dạng xen
kẽ, giải pháp đề xuất còn hạn chế sai số do nội suy nhờ thuật tốn thích nghi đề xuất và
10

Luan van


sử dụng triệt để các thông tin tại tất cả các tần số. Chính vì vậy, giải pháp đã cho
những kết quả cải thiện chất lượng hệ thống nhất là trong các điều kiện môi trường
thay đổi nhiều như tốc độ di chuyển lớn và ảnh hưởng của độ dịch tần số do q trình
đồng bộ khơng hồn hảo.
Một giải pháp khác Đề tài này đề xuất nữa cũng dựa trên nền tảng giải pháp trên kết

hợp với mộ thuật tốn để tối ưu khoảng bảo vệ để từ đó tối ưu tài nguyên của hệ thống
và cải thiện chất lượng hệ thống. Giải pháp này cần thêm một cơ chế feedback từ phía
thu về phía phát để phía phát có những thơng tin về khoảng bảo vệ trong chu kì truyền
kế tiếp. Giải pháp này cũng đã cho những kết quả cải thiện chất lượng hệ thống hơn so
với các giải pháp khác.
Hai giải pháp được Đề tài đề xuất sau q trình giới thiệu, phân tích, đánh giá cùng các
giải pháp khác đã chứng minh tính khả thi cho giải pháp đề nghị.

11

Luan van


MỞ ĐẦU
Đề tài này đề xuất mô ̣t giải pháp cải tiế n liên quan đ ến bộ ước lượng kênh truyền
trong hệ thống OFDM theo tiêu chuẩn của hệ thống WiMAX di động. WiMAX
(Worldwide Interoperability for Microwave Access) là một công nghệ 4G được phát
triển theo các tiêu chuẩn như IEEE 802.16d vào năm 2004, IEEE 802.16e vào năm
2005, IEEE 802.16j vào năm 2009 và mới nhất là IEEE 802.16m vào năm 2011. Các
tài liệu về các chuẩn này có thể tìm hiểu tại hoặc một số
tài liệu tham khảo như [1], [2].
Trong hệ thống thông tin di động, một trong những vấn đề rất quan trọng ở bộ thu,
đó là bộ ước lượng và cân bằng kênh truyền. Mặc dù có rất nhiều bài báo liên quan
hướng nghiên cứu này. Tuy nhiên, giải thuật ước lượng kênh truyề n được triển khai
phổ biến hiện này vẫn là giải thuật Least Square được triển khai ngay cả các thiết bị
theo tiêu chuẩn của 4G của các hãng

Frecale Semiconduct [3], hãng Altera

Corporation [4]. Còn trong tiêu chuẩn Tiêu chuẩ n WiMAX di đ ộngthì giải pháp ước

lươ ̣ng mơ ̣t hê ̣ thố ng mở phu ̣ thuô ̣c vào nhà sản xuấ t thiế t bi ̣

.Vì vậy với cùng với sự

phát triển của công nghệ phần cứng hiện nay, nhiều giải pháp về ước lượng và cân
bằng kênh truyền đã được nghiên cứu và triển khai nhiều và mạnh mẽ hơn để hy vọng
có thể triển khai trong các thế hệ mạng kế tiếp. Chuyên đề này góp ph ần vào việc phát
triển và nghiên cứu theo hướng này.
Các nghiên cứu về ước lượng kênh truyền có thể chia làm 3 loại:
- Ước lượng kênh truyền mù nghĩa là bộ thu hồn tồn khơng biết thơng tin về tín
hiệu phát [5], [6].
- Ước lượng kênh truyền bán mù nghĩa là có sự kết hợp giữa ước lượng kênh dựa
vào chuỗi huấn luyện và ước lượng kênh mù[7], [8], [9].
- Ước lượng kênh truyền dựa vào chuỗi huấn luyện (hay cịn gọi là tín hiệu pilot).
Trong hê ̣ thố ng thông tin di đô ̣ng , viê ̣c phải đáp ứng thời gian thực với môi trường vô
tuyế n thay đổ i thường xuyên khiế n viê ̣c ước lươ ̣ng mù và bán mù không khả thi mà
phải sử dụng pilot trong quá trình ước lượng kênh t ruyề n . Vì vậy, các giải thuật ước

12

Luan van


lươ ̣ng theo tiêu chuẩ n WiMAX di đô ̣ng đề u sử du ̣ng pilot trong quá trình ước lươ ̣ng

.

Đây cũng chiń h là hướng nghiên cứu của chuyên đề .
Mô ̣t vấ n đề trong ước lươ ̣ng kênh truyề n t rong hê ̣ thố ng OFDM đó là sự ảnh hưởng
lớn của quá triǹ h đồ ng bô ̣ không hoàn hảo , ảnh hưởng của độ dịch tần Doppler

và

fading gây sai số lớn trong quá trình ước lượng kênh truyền . Thực tế , trong tiêu chuẩ n
WiMAX di đô ̣ng hay trong các tiêu chuẩ n 4G khác , viê ̣c đồ ng bô ̣ đươ ̣c triể n khai ta ̣i
đầ u mỗi khung truyề n bao gồ m các kí tự pilot trong cấ u trúc của Preamble [10], nghĩa
là trong quá triǹ h truyề n khung

sau khi truyề n preamble thì các pilot xen kẽ các

carrier chứa thông tin không câ ̣p nhâ ̣t quá trin
̀ h đồ ng bô ̣ mà chỉ câ ̣p nhâ ̣t đáp ứng kênh
truyề n thay đổ i . Điề u này dẫn đế n nế u có sự sai lê ̣ch tầ n số trong quá trình giữa khung
truyề n thì sẽ ảnh hưởng đế n kế t quả ước lươ ̣ng kênh truyề n cũng như chấ t lươ ̣ng hê ̣
thố ng bi ̣giảm đáng kể do gây mấ t trực giao giữa các sóng mang

. Ngoài ra các giải

thuâ ̣t ước lươ ̣ng đ ơn giản vẫn còn đươ ̣c triể n khai (Least Square ) cho thấ y vẫn chưa
thực sự có mô ̣t giải pháp khả thi cho hê ̣ thố ng ước lươ ̣ng kênh truyề n cho các tiêu
chuẩ n di đô ̣ng mới . Do đó viê ̣c ước lươ ̣ng đồ ng thời quá trình ước lươ ̣ng kênh tr uyề n
và ước lượng quá trình đồng bộ là điều cần thiết để hạn chế các sai số .
Quá trình ước lượng kênh truyền sử du ̣ng các pilot xen kẽ với thông tin đươ ̣c chứng
mình ưu điểm hơn và được sử dụng trong các tiêu chuẩn

4G [11], [2]. luôn đươ ̣c tiế n

hành tại các vị trí pilot hay nói cách khác là xác định đáp ứng kênh truyền tại các vị trí
pilot, sau đó dùng các phương pháp nội suy để suy ra đáp ứng kênh truyền cần tính tạ i
các vị trí chưa dữ liệu [12]. Tuy nhiên với giải pháp này luôn gă ̣p sai số do lỗi nô ̣i suy

lớn trong quá trình ước lượng , mơ ̣t số giải pháp cải thiê ̣n trong vấ n đề này có thể kể
đến là cấu trúc pilot hai chiều và kết hợp nội suy hai chiều đã được triển khai trong các
hãng sản xuấ t thiế t bi ̣ . Dù vậy, nô ̣i suy mô ̣t cách đô ̣c lâ ̣ p vẫn là mô ̣t nhươ ̣c điể m gây
sai số trong quá triǹ h ước lươ ̣ng kênh truyề n ảnh hưởng chấ t lươ ̣ng hê ̣ thố ng .
Mô ̣t số các giải thuâ ̣t cân bằ ng thić h nghi cho quá trin
̀ h ước lươ ̣ng kênh truyề n đươ ̣c
nghiên cứu để cải thiê ̣n chấ t lươ ̣ ng hê ̣ thố ng của các giải thuâ ̣t truyề n thớ ng . Có thể kể
đến các giải thuật thích nghi dựa trên nền tảng giải thuật Least Square là LMS

(Least

Mean Square ) và RLS (Recursive Least Square ). LMS và RLS là các b ộ cân bằng
thích nghi truyền thống được sử dụng và ứng dụng vào hệ thống ước lượng kênh
truyền [13]. Giá trị đầu tiên được xác định trực tiếp thông qua giải thuật LS, và những
13

Luan van


giá trị tiếp theo được tính tốn dựa vào sự ước lượng trước đó và ngõ ra hiện tại. Nhiề u
giải thuật thích nghi cho kết quả tốt hơn dựa vào mơ hình của bộ lọc Kalman và
Kalman mở rơ ̣ng có thể kể đế n là [14], [15].Tấ t cả các giải thuâ ̣t thích nghi đề u đươ ̣c
tính tốn dựa trên ngõ ra trước đó thành ngõ vào hiện tại hay tính tốn ước lượng kênh
trù n dựa vào viê ̣c tiń h toán của các kí tự OFDM trước đó . Tuy nhiên, tấ t cả các giải
thuâ ̣t thích nghi đề u gă ̣p nhươ ̣c điể m khi điề u kiê ̣n kênh truyề n thay đổ i nhanh , nghĩa
là khi đáp ứng kênh truyền tại các thời điểm kế tiếp có sự thay đổi lớn và đột ngột so
với thời điể m hiê ̣n ta ̣i t hì các giải thuật thích nghi đều cho kết quả sai số lớn dẫn đến
ảnh hưởng chất lượng hệ thống . Đó có thể là môi trường thông tin di đô ̣ng khi có ảnh
hưởng của fading đa đường và thuê bao di chuyể n với tố c đô ̣ cao . Đây là mô ̣t ha ̣n chế
của các giải thuật thích nghi so với các giải thuật khơng thích nghi chỉ dựa trên thời

điể m hiê ̣n ta ̣i.
Quá trình ước lượng kênh truyền trong các nghiên cứu hiện nay cũng như trong các
nhà sản xuất thiết bị bên t rên đề u đươ ̣c dựa vào quá trin
̀ h tin
́ h toán ước lươ ̣ng đáp ứng
kênh truyề n miề n tầ n số và sử du ̣ng bô ̣ cân bằ ng miề n tầ n số mà phổ biế n là bô ̣ cân
bằ ng ZF (Zero Forcing). Nhiề u nghiên cứu dựa trên quá trin
̀ h tin
́ h toán đáp ứng kênh
truyề n miề n thời gian và bô ̣ cân bằ ng miề n thời gian [16], bằ ng viê ̣c tính toán đáp ứng
kênh truyề n miề n thời gian có nhiề u ưu điể m như dễ tin
́ h toán viê ̣c triê ̣t tiêu nhiễu , tuy
nhiên sự phức ta ̣p của quá triǹ h tin
́ h toán đã ha ̣n chế sự triể n khai thực tế theo hướng
nghiên cứu này [17], [18].
Để ha ̣n chế nhiễu ISI , hê ̣ thố ng OFDM sử du ̣ng CP (Cycle prefix ) hay GI (Guard
Interval) đủ lớn ,trong tiêu chuẩ n của WiMAX di đô ̣ ng, đô ̣ dài của GI là cố đinh
̣ và
thông thường bằ ng 25% băng thông [19] . Viê ̣c này có thể làm suy giảm

1 dB công

suấ t tín hiê ̣u trên nhiễu SNR . Tuy nhiên việc chèn thêm khoảng bảo vệ quá lớn có thể
gây ra giảm hiệu suất của hệ thống ( giảm hiệu quả sử dụng phổ, tiêu tốn tài nguyên
mạng và công suất hệ thống). Vì trong trường hợp kênh truyền tốt hoặc thiết bị chịu
đựng độ trải trễ nhỏ hơn mà vẫn sử dụng khoảng bảo vệ lớn là không cần thiết. Ngược
lại nếu trong hệ thống thiết lập khoảng bảo vệ GI nhỏ thì đối với trường hợp kênh
truyền vơ tuyến khơng tốt, có độ trải trễ lớn hơn khoảng GI sẽ gây ra hiện tượng nhiễu
ISI. Mô ̣t số nghiên cứu đề xuấ t giải thuâ ̣t tin
́ h toán thić h nghi đô ̣ dài GI dựa vào tiń h

toán độ trễ trãi hiệu dụng RMS

(Root Mean Square ) thông qua quá trình ước lươ ̣ng
14

Luan van


kênh truyề n [20], [21]. Tuy nhiên các hướng nghiên cứu này chỉ dựa trên quá trình ước
lươ ̣ng kênh truyề n đơn giản và phố biế n như giải thuâ ̣t Least Square trong khi viê ̣c tin
́ h
toán khoảng bảo vệ lại dựa chủ yếu vào quá trình này , ngoài ra việc cập nhật thường
xuyên cho phiá phát để phiá phát thay đổ i khoảng

bảo vệ khi truyền cũng không thật

sự cầ n thiế t khi điề u kiê ̣n kênh truyề n vẫn giữ nguyên (như thuê bao di chuyể n vẫn giữ
nguyên tố c đô ̣ di chuyể n ) dẫn đế n tính toán đô ̣ trễ traĩ không thay đổ i nhiề u

, vì vậy

viê ̣c tin
́ h toán thường xuyên để câ ̣p nhâ ̣t khoảng bảo vê ̣ thić h nghi là khơng cầ n thiế t
mà có thể chỉ cần tính tốn một lần cho mỗi khi điều kiện kênh truyền thay đổi .
Xét từ những yêu cầu trên , chuyên đề này đề xuấ t giải pháp có thể khắ c phu ̣c và cải
thiê ̣n các nhươ ̣c điể m nêu ra ở các phầ n trên . Giải pháp để xuất thể hiê ̣n sự ước lươ ̣ng
đồ ng thời quá triǹ h ước lươ ̣ng kênh truyề n và đô ̣ dich
̣ tầ n số do sự đờ ng bơ ̣ khơng
hồn hảo để khắc phục sự ảnh hưởng của quá trình đồng bộ trong quá trình ước lượng
kênh truyề n . Giải pháp đề xuấ t còn là mô ̣t giải thuâ ̣t thić h nghi để tin

́ h toán các giá tri ̣
sóng mang chứa thơng tin thay vì là một q trình nội suy độc lập , từ đó ha ̣n chế đươ ̣c
những sai số do quá trình nô ̣i suy gây ra . Giải pháp đề xuất cị n là mơ ̣t sự kế t hơ ̣p giữa
giải thuật ước lượng kênh truyền truyền thống khơng thích nghi (như Least Square) và
giải thuật thích nghi dựa trên mơ hình bộ lọc Kalman mở rộng theo hai q trình ước
lươ ̣ng thơ sử du ̣ng LS và ước lư ợng tinh sử dụng mơ hình Kalman mở rộng . Sự kế t
hơ ̣p này khắ c phu ̣c đươ ̣c những nhươ ̣c điể m của giải thuâ ̣t thić h nghi nêu ở trên và cải
thiê ̣n đươ ̣c chấ t lươ ̣ng so với các giải thuâ ̣t truyề n thố ng

. Giải thuật đề xuất cũng là

mô ̣t sự kế t hơ ̣p giữa quá triǹ h ước lươ ̣ng đáp ứng kênh truyề n miề n thời gian và sử
dụng bộ cân bằng miền tần số , từ đó giảm bớt đươ ̣c sự phức ta ̣p và tâ ̣n du ̣ng ưu điể m
của đáp ứng kênh truyền miền thời gian và sự đơn gi ản của bộ cân bằng miền tần số .
Cuố i cùng, giải pháp là một thuật toán kết hợp ước lượng kênh truyền , đô dich
̣ tầ n số
và tối ưu khoảng bảo vệ bằng việc tính tốn khoảng bảo vệ thích nghi dựa vào tính
tốn độ trãi t rễ RMS, từ đó có thể ha ̣n chế nhiề u ISI , tăng băng thông và chấ t lươ ̣ng
của hệ thống.
Để đánh giá giải pháp đề xuất, môi trường mô phỏng cho th ̣t toán là mơi trường
fading đa đường có cho thuê bao di chuyển tốc độ cao và the o các tiêu chuẩ n của hê ̣
thố ng WiMAX di đơ ̣ng [22]. Ngồi ra để giải thuật cịn được mô phỏng trong môi
trường ảnh hưởng của sự đồ ng bô ̣ không hoàn hảo ảnh hưởng bởi độ dịch tần số ta ̣i bô ̣
15

Luan van


thu. Các giải pháp đề xuất của chuyên đề này , để dễ dàng so sánh và đánh giá , đươ ̣c
chia thành giải pháp như sau:

+ Giải pháp1 là giải thuật ước lượng kênh truyền sử dụng mơ hình bô ̣ lo ̣c Kalman
mở rô ̣ng hai biế n trong môi trường fading và ảnh hưởng bởi đô ̣ dich
̣ tầ n số sóng mang .
+ Giải pháp 2 là sự kết hợp giải pháp 1 để tính tốn khoảng bảo vệ thích nghi để
giảm nhiễu ISI/ICI và nâng cao chấ t lươ ̣ng hê ̣ thớ ng.
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Các nghiên cứu trong nước
Các nghiên cứu trong nước về hệ thống ước lượng kênh truyền nhìn chung ít được
nghiên cứu trong các hô ̣i thảo trong nước . Mô ̣t số đề tài về ước lươ ̣ng kênh truyề n
trong thời gian đã đươ ̣c tác giả cùng mô ̣t số em sinh viên trong trường Đa ̣i Ho ̣c Bách
Khoa TPHCM nghiên cứu và cho ra các kế t quả khả quan

trong các luâ ̣n văn đa ̣i ho ̣c

và cao học và đồng thời thể hiê ̣n qua mô ṭ số hô ̣i nghi ̣trong nước và quốc tế [23], [24]
[25].
Các nghiên cứu nước ngoài
Hướng nghiên cứu ước lươ ̣ng và triê ̣t nhiễu ICI do đô ̣ dich
̣ tầ n sóng mang gây ra và
ước lượng kênh truyền thường được nghiên cứu độc lập . Chẳ ng ha ̣n nghiên cứu về ước
lươ ̣ng đô ̣ dich
̣ tầ n thường mô phỏng trong môi trường nhiễu Gau

ss hay kênh truyề n

không thay đổ i , hướng nghiên cứu ước lươ ̣ng kênh truyề n thường giả sử quá trình
đồ ng bô ̣ hoàn hảo.
Các nghiên cứu riêng rẽ về c ác giải pháp để triệt sóng mang do độ dịch tần số sóng
mang gây ra có thể kể đến là giải pháp định dạng xung (pulse shapping) [26], [27], cơ
chế tự triệt tiêu nhiễu ICI [28], ước lượng độ dịch tần số offset [29], sử dụng bộ cân

bằng miền thời gian để chuyển đổi kênh truyền doubly selective channel thành
Frequency Selective channel (kênh truyền chọn lọc tần số) bằng cách làm ngắn đáp
ứng xung kênh truyền [18]. Sau đó sử dụng các phương pháp ước lượng và cân bằng
theo miền tần số để ước lượng cho kênh truyền chọn lọc miền tần số.
Các nghiên cứu riêng rẽ về ước lượng kênh truyề n , trước hế t là các giải pháp truyền
thống và phổ biến là LS (Least Square) [30], MMSE (Minimum Mean Squared Error)
16

Luan van


[11]là những bộ ước lươ ̣ng tiêu chuẩn để so sánh cho những nghiên cứu mới về bô ̣ ước
lươ ̣ng trong hệ thống OFDM. Ngoài các bộ cân bằng trong miền tần số cơ bản LS và
MMSE đã kể trên, có thể đề cập đến các phiên bản cải tiến cho bộ cân bằng LS và
MMSE [31] bằ ng cách kế t hơ ̣p hai giải pháp LS và MMSE theo hướng giảm đơ ̣ phức
tạp hơn thuật tốn MMSE và cải thiện chất lượng khi so sánh với LS . Một số giải pháp
khác có thể kể đến là giải thuật ML (Maximum Likelihood)[7]. Giải thuật ML dựa trên
sự tính tốn của hàm ML cho kênh truyền từ đó đi tìm giá trị cực tiểu cho hàm ML
cũng tương ứng với giá trị kênh truyền có MSE thấp nhất.Thuật tốn ML sử dụng xác
suất Bayesian để tính tốn.Một giải pháp khác có dựa trên nề n tảng của giải thuâ ̣t ML
có thể kể đến là giải thuật lặp EM (Expectation Maximum)[9]. Giải thuật lặp EM sử
dụng giải thuật ML làm nền tảng, từ đó thực hiện phép lặp để tìm ra giá trị hội tụ cho
bộ ước lượng và cân bằng. Giải thuật EM có ưu điểm là việc tính tốn cho cả trường
hợp kênh truyền thay đổi trong một chu kì kí tự OFDM bằng cách chia kí tự OFDM
thành nhiều khung và mỗi khung tương ứng một đáp ứng kênh truyền và thực hiện một
số lần lặp nhất định để tìm ra giá trị hội tụ cho đáp ứng kênh truyền.
Ngoài những bộ ước lượng được tính tốn trực tiếp

, cịn có những giải pháp ước

lươ ̣ng thích nghi đươ ̣c tính toán dựa t rên những thông tin của quá khứ là những kí tự
OFDM trước đó . Thuâ ̣t toán thić h nghi phổ biế n đươ ̣c dựa trên nề n tảng giải thuâ ̣t LS
có thể kể đến là LMS (Least Mean Square)và RLS (Recursive Least Square)[32]. Giá
trị ban đầu được cập nhật dựa vào giải thuật LS và cập nhật qua các bước để hội tụ về
kế t quả tố i ưu. Mô ̣t nhươ ̣c điể m của các giải thuâ ̣t này là dựa nề n tảng vào những th ̣t
tốn đơn giản và mơ hình toán cho bước lă ̣p đơn giản , từ đó dẫn đế n khó hơ ̣i tu ̣ khi mơ
hình hệ thống phức tạp ví dụ như ảnh hưởng của độ dịch tần , vâ ̣n tố c di chuyể n , kênh
truyề n fading…
Để cải thiê ̣n chấ t lươ ̣ng hê ̣ thố ng đố i với các thuâ ̣t toán thić h nghi

, mơ hin
̀ h tin
́ h

tốn được phân tích thành những phương trình cập nhật để ước lượng và đo lường , từ
đó có thể tiń h toán ước lươ ̣ng đáp ứng tầ n số cho nhữ ng mô hin
̀ h toán phức ta ̣p hơn có
thể kể đế n là giải pháp ước lươ ̣ng dựa trên mô hin
̀ h của bô ̣ lo ̣c Kalman . Kalman là một
tht tốn thích nghi, cũng tương tự như LMS và RLS, tuy nhiên tính tốn dựa trên mơ
hình của hệ thống để thiết lậ p các phương trin
̀ h toán đ ể cập nhật các trạng thái kế tiếp
từ trạng thái trước đó gọi là phương trình tiế n trình , đưa ra mơ hình tốn để đo đạc so
17

Luan van


với kết quả thực tế gọi là phương trình đo đạc. Mơ hình tốn này càng gầ n và phù h ợp
với bản chấ t của hệ thống thì gi ải thuật Kalman cho kết quả ước lượng tố t nhấ t

[33].Đây là mô ̣t hướng nghiên cứu đươ ̣c nghiên cứu nhiề u trong thời gian gầ n đây

có

thể kể đến [34], [14], [35], [36]. Dùng mơ hình của bộ lọc Kalman để tính tốn các
phương triǹ h tiế n triǹ h và đo đa ̣c thông qua mô hin
̀ h hê ̣ thố ng bi ̣ảnh hưởng bởi fading
và nhiễu, từ đó thuâ ̣t toán dựa trên bô ̣ lo ̣c Kalman đã cho kế t quả tố t hơn các giải thuâ ̣t
thích nghi khác . Tuy nhiên mô ̣t nhươ ̣c điể m của bô ̣ lo ̣c Kalman là các phương trin
̀ h
tiế n trình và đo đa ̣c phải là tuyế n tính thì bô ̣ lo ̣c Kalman

mới cho kế t quả tố t nhấ t .

Trong khi đó , mô hiǹ h hê ̣ thố ng bi ̣ảnh hưởng bởi fading đa đường , các loại nhiễu và
đô ̣ dich
̣ tầ n thường không thể mô hin
̀ h toán thành các phương trin
̀ h tuyế n tin
́ h , vì vậy
giải th uâ ̣t Kalman cho kế t quả sai s ố trong những trường hơ ̣p hê ̣ thố ng có đáp ứng
không là tuyế n tiń h nữa .
Mô ̣t cải tiế n cho giải thuâ ̣t của Kalman để

cải thiện các nhược điểm trong những

điề u kiê ̣n hê ̣ thố ng không cho đáp ứng tuyế n tin
́ h đó là những phiên bản mở rô ̣ng của
bô ̣ lo ̣c Kalman như Kalman mở rô ̣ng , Unscented Kalman…Mô hình Kalman mở rô ̣ng
hay các phiên bản phi tuyế n kh ác cải thiện các nhược điểm của giải pháp Kalman ở

chỗ đố i với mô hình hê ̣ thố ng có đáp ứng phi tuyế n như trường hơ ̣p ảnh hưởng của đô ̣
dịch tần, nhiễu ICI, đơ ̣ dich
̣ tầ n Doppler thì thuật tốn cho phép tính tốn và xây dự ng
các phương trình tiến trình và đo đạc phi tuyến bằng cách xấp xỉ tuyến tính gần đúng
các phương trình này , từ đó kế t quả cho ra tố t hơn và cải thiê ̣n hơn so với thuâ ̣t toán
của bộ lọc Kalman vì sự mơ hình hệ thống gầ n giố ng với ảnh hưởng của hê ̣ thố ng thực
tế hơn. Tuy nhiên viê ̣c xấ p xỉ tuyế n tính cũng sẽ gây ra những sai số lớn nế u như trong
những trường hơ ̣p phương triǹ h tin
́ h toán đo đa ̣c sai lê ̣ch nhiề u với điề u kiê ̣n thực tế

.

Ví dụ nh ư viê ̣c xây dựng và tiń h toán tra ̣ng thái kế tiế p dựa vào tra ̣ng thái hiê ̣n ta ̣i
thông qua các phương trình tiế n trình và đo đa ̣c những trong trường hơ ̣p môi trường
thay đổ i và sai lê ̣ch lớn so với sự đo đa ̣c sẽ dẫn đế n sai số lớ n, như trường hơ ̣p đáp ứng
kênh truyề n ta ̣i vi ̣trí OFDM kế tiế p thay đổ i đô ̣t ngô ̣t so với thời điể m hiê ̣n ta ̣i
cũng là rủi ro của bất kì một thuật tốn thích nghi nào
hiê ̣n ta ̣i và quá khứ để

. Đây

khi dựa vào những thông tin

ước lượng các thời điểm trong tương lai . Các nghiên cứu sử

dụng mơ hình bộ lọc Kalman mở rộng để ước lượng kênh truyền hay độ dịch tần có
thể kể đế n là [15], [37], [38].

18

Luan van


Các nghiên cứu về các giải pháp có thể kết hợp cả ước lượng đồng thời q trình
đờ ng bơ ̣ và quá triǹ h ước lươ ̣ng kênh truyề n sẽ có đơ ̣

khó tính tốn hơn so với các

hướng nghiên cứu riêng rẽ về viê ̣c xử lý đồ ng bô ̣ và ước lươ ̣ng kênh truyề n

. Mơ ̣t sớ

giải pháp có thể kể đến [38], [39], [29], [40]. Tài liê ̣u [38,29] trình bày mơ ̣t giải pháp
ước lượng đồng thời độ dịch tần và đáp ứng kênh truyền dựa vào mơ hình của bộ lọc
Kalman mở rô ̣ng. Tài liệu [39] sử du ̣ng thuâ ̣t toán ML để ước lươ ̣ng đồ ng thời đô ̣ dich
̣
tầ n và đáp ứng kênh truyề n . Tài liệu [40 ] trình bày một giải pháp ước lượng đồng thời
ước lượng kênh truyền , đô ̣ dich
̣ tầ n số sóng mang và đô ̣ dich
̣ tầ n số lấ y mẫu . Các giải
pháp này đều có sự tính tốn phức tạp hơn so với các thuật toán ước lượng riên g lẻ, bù
lại thể hiện được gần với những đặc tính thực của hệ thống.
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Qua viê ̣c phân tić h các hướng nghiên cứu nêu trên

, có thể nhận thấy giải pháp ước

lươ ̣ng đồ ng thời ước lươ ̣ng kênh truyề n và đô ̣ dich
̣ tầ n là hướng phát triể n của các giải
pháp ước lượng. Mục tiêu là để tìm ra các giải pháp tối ưu bình phương sai số (MSE)

trong điề u kiê ̣n kênh truyề n fading với ảnh hưởng của sự di chuyể n và quá trình đồ ng
bô ̣ không hoàn h ảo để khắc phục các nhược điểm cho

các giải pháp trước đó . Giải

pháp này phải đảm bảo cải thiện được chất lượng hệ thống so với các thuật toán khác ,
đảm bảo khả thi trong điề u kiê ̣n thực tế .
PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đề tài này nghiên cứu về bộ ước lượng kênh truyền và các thành phần có liên quan
trong hê ̣ thớ ng sử du ̣ng điề u chế OFDM theo các tiêu chuẩ n của hê ̣ thố ng thông tin di
đô ̣ng (mô ̣t số thông số sử du ̣ng theo tiêu chuẩ n của WiMAX di đô ̣ng

). Do tin
́ h phức

tạp và rộng của các phần tử trong h ệ thống, nên trong chuyên đề , tác giả chỉ tập trung
vào những vấn đề cụ thể sau đây và đây cũng chính là những đóng góp của chuyên đề :
-

Phân tích các giải pháp ước lươ ̣ng kên h truyề n sử du ̣ng và đề xuấ t giải pháp kế t
hơ ̣p ước lương kênh truyề n và đô ̣ dich
̣ tầ n mới cho hê ̣ thố ng OFDM theo tiêu
chuẩ n WiMAX di đô ̣ng

-

Phân tić h và đề xuấ t giải pháp tố i ưu khoảng bảo vê ̣ kế t hơ ̣p ước lươ ̣ng kênh
truyề n và đô ̣ dich
̣ tầ n trong hê ̣ thố ng OFDM theo tiêu chuẩ n WiMAX di đô ̣ng .

19

Luan van


PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Dựa trên phân tić h của các công trin
̀ h nghiên cứu đã đươ ̣c đăng trên thế giới
đề được dựa các bài báo khoa học để phân tích các luận

, chuyên

điể m, đánh giá các phương

pháp ước lượng kênh truyền đã được phát triển trong các thập niên qua

. Dựa vào

những phân tić h đó , chuyên đề đã phân tić h để hiể u rõ và đánh giá các giải pháp ước
lươ ̣ng kênh truyề n , những điể m m ạnh và điểm yếu của các phương pháp

. Qua đó ,

chuyên đề đã đề xuấ t mô ̣t giải pháp ước lươ ̣ng kênh truyề n để tố i ưu và cải thiê ̣n các
giải pháp hiện có . Ngồi ra, chun đề cũng dựa trên các cơ sở toán ho ̣c lý thuyế t áp
dụng cho xỷ lý số tín hiê ̣u, nhằ m phân tích và đề xuấ t những giải pháp trong chuyên đề
này. Sau cùng, chuyên đề này dựa trên những công cu ̣ hữu ić h , đươ ̣c bổ sung liên tu ̣c
của phần mềm Matlab để mô phỏng các mơ hình hệ thống đ ề xuất , cho phép hiể n thi ̣
các kết quả mang tính trực quan và kiểm nghiệm các phân tích lí thuyết .
CẤU TRÚC ĐỀ TÀI

Đề tài trình bày các phương pháp , mục đích nghiên cứu , tóm tắt các kĩ thuật ước
lươ ̣ng và các giải pháp liên quan trong phầ n mở đầ u . Trong phầ n kế tiế p , trong chương
1 là tất cả những lí thuyết về tổng quan của hệ thống , cũng như những phân tić h về các
giải pháp ước lượng kênh truyền , về hê ̣ thố ng OFDM và các thành phầ n liên quan
trong hê ̣ thố ng của phiá phát và phiá thu . Trong chương 2, tác giả sau khi phân tích các
giải pháp của các kĩ thuật ước lươ ̣ng kênh truyề n riêng lẻ và kế t hơ ̣p , đã đề xuấ t mô ̣t
giải pháp để tối ưu cải thiện các giải pháp ước lượng kênh truyền hiện có

, bằ ng viê ̣c

ứng dụng mơ hình của bộ lọc Kalman mở rộng để ước lượng đồng thời độ dịch t ần và
đáp ứng kênh truyề n , kế t hơ ̣p thay đổ i trình tự ki ̃ thuâ ̣t ước lươ ̣ng thông thường để tố i
ưu giải thuâ ̣t ước lươ ̣ng cho kế t quả cải thiê ̣n các giải pháp khác trong điề u kiê ̣n môi
trường fading ảnh hưởng của đô ̣ dich
̣ tầ n l ớn. Trong chương 3, tác giả đề xuất một giải
pháp kết hợp với giải pháp ở chương 2 để tối ưu khoảng bảo vệ từ đó cải thiện được
chấ t lươ ̣ng hê ̣ thố ng đươ ̣c tố t hơn . Chương 4 là những mô phỏng đánh giá và so sánh
các giải pháp đề xuất với các giải pháp truyền thống và nhiều giải pháp khác

, qua đó

để chứng minh sự cải thiện và tối ưu của giải pháp đề xuất so với các giải pháp khác
Các kết luận và hướng phát triển được trình bày ở chương 5.

20

Luan van

.

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG
Trong chương này sẽ trình bày khái niệm cơ bản, những ưu nhược điểm, nguyên lý
điều chế, giải điều chế của kỹ thuật điều chế OFDM.Qua đó, chúng ta sẽ thấy được
những ưu điểm của kỹ thuật này được ứng dụng trong hệ thống Wimax nói chung và
những kỹ thuật truyền thơng khác.
Chương này cũng trình bày các vấ n đề liên quan đế n hê ̣ thố ng OFDM như các đă ̣c tính
của kênh truyền fading , ảnh hưởng của các loại nhiễu lên hệ thống

, ảnh hưởn g của

pilot và các giải pháp ước lươ ̣ng kênh truyề n cho chấ t lươ ̣ng của hê ̣ thố ng .
Chương này trình bày tấ t cả những cơ sở lý thuyế t có liên quan về hê ̣ thố ng OFDM
quá trình đồng bộ và ước lượng kênh truyền

,

, tiêu chuẩ n di đô ̣ ng và các phân tić h

nhiễu.
1.2 TỔNG QUAN VỀ ƢỚC LƢỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG
OFDM
1.2.1 Giới thiêụ
Kỹ thuật điều chế OFDM là một trong những kỹ thuật được sử dụng phổ biến hiện nay
đặc biệt là trong hệ thống WiMAX di động. Hiện nay kỹ thuật này ngày càng phát
triển với việc cho ra đời nhiều chuẩn mới,nhưng nó vẫn dựa trên kỹ thuật OFDM cơ
bản. Ngoài ra OFDM cũng là một kỹ thuật được ứng dụng cho mạng 4G LTE đang
được triển khai ở các nhà mạng hiện nay.

21

Luan van


Trong chuyên đề này , giải pháp ước lượng kênh truyền sử dụng tín hiệu pilot ở phía
phát. Do ảnh hưởng của đă ̣c tiń h kênh truyề n fading và phiá thu di chuyể n với tố c đô ̣
thay đổ i nên sự hiê ̣u quả của ước lươ ̣ng kênh truyề n khôn g chỉ phu ̣ th ̣c vào hiê ̣u quả
của bản thân thuật tốn mà còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như khả năng loại bỏ
tố t nhiễu ISI do tố i ưu khoảng bảo vê ̣ , các thuật toán giảm nhiễu ICI trước khi ước
lươ ̣ng kênh truyề n hay d o sự tố i ưu trong thiế t kế pilot ta ̣i phía phát . Vì vậy, mơ ̣t giải
pháp ước lượng kênh truyền tối ưu phải bao gồm tất cả các giải pháp nêu trên để
đa ̣tđươ ̣c hiê ̣u quả tớ t nhấ t.

Hình 1.1 Mơ hình hê ̣ thố ng OFDM
1.2.2 Mô hin
̀ h toán tín hiêụ phía phát
Hệ thống OFDM ước lượng kênh dựa vào pilot được biểu diễn trong Hình 2.1. Tín
hiệu nhị phân được đưa qua bộ điều chế QAM (Quadrature Amplitude Modulation).
Sau đó, tín hiệu huấn luyện pilot được chèn vào dữ liệu thông tin, khối IDFT(Inverse
Discrete Fourier Transform) được sử dụng để biến đổi chuỗi dữ liệu có chiều dài N
{X(k)} ra tín hiệu miền thời gian {x(n)}. Pilot có mục đích để phía thu có thể có những
thơng tin về kênh truyề n và các thông tin khác . Khoảng bảo vệ được thêm vào để lo ại
bỏ nhiễu ISI và tính hiệu được chuyển từ song song thành nối tiếp (P/S) và phát thông
qua kênh truyề n .
1.2.3 Pilot cho giải pháp ƣớc lƣơ ̣ng kênh truyề n:
Dựa vào cách sắp xếp pilot, có 2 cách sắp xếp được sử dụng chủ yếu: block-type
pilot, comb-type pilot.

22

Luan van


Hình 1.2 Sắp xếp pilot dạng khối
Cách sắp xếp pilot theo dạng khối được mơ tả theo hình 1.2.Đối với dạng này, OFDM
symbols có chứa pilot trên tất cả sóng mang sẽ được truyền định kỳ theo một thời gian
nhất định nhằm mục đích ước lượng kênh truyền.Sử dụng loại pilot này,nội suy trong
miền thời gian sẽ được thực hiện để ước tính các kênh dọc theo trục thời gian

Hình 1.3 Sắp xếp pilot dạng lược
Cách sắp xếp pilot dạng lược được mơ tảtheo hình 1.3.Theo cách sắp xếp pilot này,
mỗi OFDM symbol đều chứa pilot trên các sóng mang nhất định. Sử dụng loại pilot
này,nội suy trong miền tần số sẽ được thực hiện để ước tính các kênh dọc theo trục tần
số.
1.2.4. Kỹ thuật nội suy trong ƣớc lƣợng kênh truyền sử dụng chuỗi huấn luyện
dạng lƣợc ( comb pilot)
Trong ước lượng dựa trên pilot dạng lược, sau khi tính được đáp ứng tần số của kênh
truyền tại các Pilot sóng mang,kỹ thuật nội suy được sử dụng để ước tính đáp ứng tần
số kênh truyền của data. Kỹ thuật nội suy hiệu quả là cần thiết để ước lượng kênh tại
những sóng mang con dữ liệu bằng cách sử dụng thơng tin kênh truyền từ những sóng
mang con Pilot.Có nhiều phương pháp nội suy được sử dụng trong ước lượng kênh
23

Luan van


truyền sử dụng huấn luyện dạng lược: nearest neighbor,nội suy tuyến tính, nội suy bậc
2,nội suy lowpass, nội suy spline cubic…
Ước lượng kênh tại sóng mang dữ liệu thứ k, mL < k < (m+1)L, bằng cách sử dụng

nội suy tuyến tính được xác định như sau, với He(k) là đáp ứng kênh truyền tần số của
tồn bộ kí tự OFDM và Hp là đáp ứng tần số tại các vị trí pilot[11]
H e (k )  H e (mL  l )

 ( H p (m  1)  H p (m))

0l  L

l
 H p (m) (1.1)
L

1.2.5 Khoảng bảo vệ trong hệ thống OFDM
Trong hệ thống OFDM, mặc dù đã chia nhỏ luồng dữ liệu thành N luồng con, nhờ vậy
chu kỳ OFDM symbol khá lớn, nhưng với một số kênh vơ tuyến di động hay truyền
hình thì sự lan truyền đa đường rất trầm trọng nên trải trễ (delay spread) sẽ rất lớn. Do
đó các symbol được truyền đi theo các đường khác nhau có thể đến máy thu với thời
gian khác nhau, độ chênh lệch về thời gian tới của các tia sóng tới máy thu có thể quá
lớn làm symbol truyền liên tiếp của các tia sóng sẽ chồng lấn lên nhau tại máy thu gây
ra hiện tượng nhiễu liên ký tự ISI. Để tránh hiện tượng này người ta thêm khoảng bảo
vệ vào đầu các OFDM symbol.Độ rộng của khoảng bảo vệ phải lớn hơn trải trễ cực đại
của kênh.
1.2.6 Kênh truyề n fading và đô ̣ dich
̣ tầ n số sóng mang
Kênh truyền tín hiệu OFDM là mơi trường truyền sóng điện từ giữa máy phát và máy
thu. Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loại nhiễu như: nhiễu
Gauss trắng cộng (AWGN-Additive White Gaussian Noise), Fading phẳng, Fading
chọn lọc tần số, Fading nhiều tia…Trong kênh truyền vơ tuyến thì tác động của tạp âm
bên ngoài (external noise) và nhiễu giao thoa là rất lớn. Kênh truyền vô tuyến là môi
trường truyền đa đường (multipath environment) và chịu ảnh hưởng đáng kể của

Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số. Với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sóng
mang trực giao, phân chia băng thông gốc thành rất nhiều các băng con đều nhau, kỹ
thuật OFDM đã khắc phục được ảnh hưởng của Fading lựa chon tần số, các kênh con
có thể được coi là các kênh Fading khơng lựa chọn tần số. Với việc sử dụng tiền tố lặp
(CP), kỹ thuật OFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của Fading nhiều tia, đảm bảo sự
đồng bộ ký tự và đồng bộ sóng mang.
24

Luan van