ofdm - ofdma và sự dụng trong công nghệ truy cập băng rộng không dây 8 pptx

Bảng các từ viết tắt


b)Kênh fading chon lọc tần số
Hình 3.5: Pilot trong gói OFDM
3.3.2 Đồng bộ ký tự dựa vào CP
Xét hai tín hiệu thu cách nhau N bước:
d(m) = r (m) – r (m + N),
Với N là sóng mang phụ. N bằng số điểm lấy mẫu tương ứng với phần có ích
của symbol OFDM, chúng phải là bản sao của nhau nên d(m) thấp. Nếu r(m) và
r(m-N) tương ứng với các mẫu phát nằm trong thời khoảng của cùng một symbol
OFDM, d(m) là hiệu của hai biến ngẫu nhiên không tương quan. Công suất của
d(m) trong trường hợp này bằng hai lần công suất trung bình của symbol OFDM.
Nếu sử dụng một cửa sổ trượt có độ rộng thời gian bằng khoảng thời gian
của CP (điểm cuối của cửa sổ trùng với điểm bắt đầu của symbol OFDM) thì khi
cửa sổ này trùng với thành phần CP của symbol OFDM sẽ có một cực tiểu về công
suất trung bình của các mẫu d(m) trong cửa sổ này. Do đó, có thể ước lượng được
thời điểm bắt đầu của symbol OFDM, và đồng bộ thời gian được thực hiện.
3.3.3 Đồng bộ khung ký tự dựa trên mã đồng bộ khung (FSC)
Đồng bộ khung ký tự nhằm nhận biết vị trí bắt đầu của khung ký tự để tìm
thấy vị trí chính xác của cửa sổ FFT. Các thuật toán đồng bộ khung symbol truyền
thống (dùng symbol pilot, dùng CP,…) dựa vào quan hệ giữa khoảng bảo vệ GI và
phần sau của symbol. Nhưng các thuật toán này không thể phát hiện chính xác vị trí
bắt đầu của ký tự do nhiễu ISI trong kênh fading đa đường. Cấu trúc khung có thể
Bảng các từ viết tắt


được chia thành vùng mã đồng bộ khung FSC cho đồng bộ khung symbol và vùng
dữ liệu cho truyền dẫn symbol OFDM (Hình 3.6).

Hình 3.6: Một kiểu cấu trúc khung symbol OFDM

Có thể biểu diễn tín hiệu khung OFDM như sau:

)()()(
FSCdataFSCframe
TtStStS 
(3.16)
Trong đó, T
FSC
: Khoảng thời gian symbol FSC
Tại phía phát, chuỗi các mẫu ở dạng số được phát gồm có chuỗi C
A
(n) của
FSC và các mẫu dữ liệu không có GI đã qua FFT là:











1
0
2
:1 ,,1,0)(
1
)(

: ,,2,1)()(
N
k
N
nk
j
mm
L
A
tadaNkekX
N
ns
FSCCnnCns

(3.17)
Trong đó, C
L
: Độ dài bit của FSC
s
m
(n) : Chuỗi các mẫu của symbol OFDM thứ m trong miền
thời gian khi không thêm GI.
x
m
(k) : Symbol truyền dẫn phức thứ m trong miền tần số.
N : Số sóng mang phụ
Các mẫu C
A
(n) được ứng dụng trực tiếp để s(n) là số bắt đầu khung
Bảng các từ viết tắt

Tín hiệu FSC là một chuỗi tuần tự các mẫu,
)()( nCns
A

, với n = 1,2,… C
L

được tạo thành từ vector FSC C(n) = {C(1), C(2), , C(
L
C )} gồm các C
L
giá trị nhị
phân. Đối với mã C(n) có giá trị "1" , chúng ta thực hiện đảo cực tính luân phiên để
tạo ra tín hiệu 3 mức
)(nC
A
. Ví dụ: Cho C(n) = {1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1} thì
)(nC
A
=
{1, 0, 0, -1, 1, -1, 0, 1}. Bằng cách này, ta có thể duy trì số giá trị '1' và '-1' bằng
nhau tại phía phát để hạn chế khoảng dịch DC và duy trì một mức cố định cho dải
động.
Cấu trúc đồng bộ khung symbol OFDM gồm: Bộ nhận biết công suất, bộ
nhận biết bit '0'/ '1' , thanh ghi dịch C
L
, bộ cộng Modulo -2 được giảm bớt, bộ tổng,
bộ nhận biết đỉnh.

Thuật toán đồng bộ khung symbol nhờ FSC gồm có 3 bước: Nhận biết FSC,
xác định các mức ngưỡng tối ưu Th1 và Th2 để tăng cường xác suất nhận biết vị trí
đầu khung symbol.

Hình 3.7: Đồng bộ khung ký tự dùng FSC
3.3.3.1 Nhận biết FSC
Bảng các từ viết tắt


Đầu tiên, bộ đồng bộ khung symbol sẽ nhận biết công suất bằng cách dùng
mỗi mẫu thu. Giả sử nếu chuỗi mẫu tín hiệu tối ưu thứ i sau kênh đa đường và
AWGN là )(
~
is , chúng ta có thể biểu diễn một tín hiệu với khoảng dịch tần số và
pha thành các kênh I và Q riêng rẽ như sau:



j
QI
eisisiy )).()(()(
~~


)sin)(cos)(()sin)(cos)(( ΘisΘisjΘisΘis
~
I
~
Q
~

Q
~
I

(3.18)
Trong đó,
)(
~
is
I
: Kênh I của s(i)

)(
~
is
Q
: Kênh Q của s(i)

: Biểu diễn tổng pha
0
2




N
i
, gồm khoảng dịch tần
số ( fT




) và khoảng dịch pha
0

.
Nếu chúng ta thực hiện nhận biết công suất cho chuỗi mẫu ở trên để đồng bộ
khung symbol như trong Hình 3.7, chúng ta có thể thu được công suất mà không
phụ thuộc vào khoảng dịch tần số và pha như sau;
)()()()(
2
~
2
~
22
isisiyiy
QI
QI

(3.19)
3.3.3.2 Xác định mức ngưỡng Th1
Theo phép phân tích, chúng ta sẽ thu được một mức ngưỡng tối ưu Th1 trong
môi trường AWGN để xác định '0' và '1' từ công thức (3.19). Để thu được một mức
ngưỡng tối ưu trong môi trường đa đường là rất khó khi nó phụ thuộc vào kiểu FSC.
Bảng các từ viết tắt



Hình 3.8: Ngưỡng tối ưu Th1 với giá trị SNR
Các ngưỡng Th1 có thể được viết:

2
/
1
0
4
1
)(
2
2












P
eI
P
Th
(3.20)
(.)
1
0


I : Hàm ngược của Bessel bậc 0: (.)
0
I ,
2


: Phương sai của các biến ngẫu nhiên Gaussian trong các kênh I và Q
P : Giá trị biên độ được định nghĩa trong tín hiệu
Hình 3.8 so sánh giữa mô phỏng và phân tích từ công thức (3.20) giá trị của
ngưỡng tối ưu với các SNR khác nhau.
Các giá trị '0' và '1' được xác định rồi đưa đến đầu vào thanh ghi dịch của bộ
nhận biết FSC phù hợp với tốc độ lấy mẫu T
s
và bộ phép toán cộng modulo-2 thực
thi C
L
thời điểm với kiểu FSC đã biết. Ở đây, đầu ra bộ cộng modulo-2 sửa đổi là '1'
nếu các bit giống nhau tại vị trí hiện tại, nếu không sẽ có giá trị '-1'. Các giá trị
Bảng các từ viết tắt


tương quan này sẽ được cộng tất cả các khối tổng và kết quả được so sánh với
ngưỡng Th2 của bộ nhận biết đỉnh để dò tìm FSC.
3.3.3.3 Xác định mức ngưỡng Th2
Nếu giá trị đỉnh chính xác của đầu ra bộ nhận biết đỉnh là nhỏ hơn ngưỡng
Th2 mà đã thiết lập cho bộ nhận biết đỉnh, FSC không được phát hiện. Đây gọi là sự
nhận biết trượt P
M
. Nếu thiết lập Th2 thấp, tương quan đầu ra của các vùng dữ liệu

khác có thể ở trên Th2 và được xem như là FSC, gọi là xác suất dự phòng sai P
F
.
Đối với đồng bộ khung symbol, xác suất nhận biết trượt P
M
khả năng phát
hiện lỗi chính xác P
C
. P
C
là xác suất để nhận biết FSC khi số lượng lỗi trong FSC
trở nên giống nhau hoặc ít tổng số lỗi cực đại ε (với 2/)(
2
ThC
L


) của quá trình
nhận biết đỉnh. Vì vậy, khả năng nhận biết FSC đúng P
C
có thể được tìm bằng cách
cộng xác suất của các lỗi bit FSC dưới ngưỡng lỗi

.
Xác suất nhận biết trượt có thể
được tìm bằng cách trừ tất cả các xác suất nhận biết đúng ra khỏi toàn bộ công suất.
Khi ngưỡng lỗi

và chiều dài C
L

của FSC tăng, xác suất nhận biết trượt
giảm. Giả sử nếu chiều dài FSC là
L
C bit, mọi khả năng kết hợp dữ liệu ngẫu nhiên
là
L
C
2

. Nếu ε = 0, khả năng phát hiện lỗi là 1/
L
C
2
. Đây là khả năng phát hiện ngẫu
nhiên chính xác với kiểu FSC. P
F
có thể được giảm bằng cách tăng số bit FSC, C
L

hoặc giảm ngưỡng nhận biết ε. Như vậy, P
M
và P
F
có thể trao đổi với nhau khi cho
C
L
cố định và biến đổi giá trị ε hoặc Th2.
Trong trường hợp tổng quát P
M
là rất nhỏ còn P

F
là rất lớn. Điều này có thể
khắc phục bằng kỹ thuật cửa sổ. Trong kỹ thuật này, quá trình nhận biết FSC chỉ
Bảng các từ viết tắt


trong một khoảng đặc biệt, sự tính toán trước cao được xem như là một đỉnh. Việc
thực hiện tương đối đơn giản và cho hiệu quả tốt.
Như vậy, thuật toán đồng bộ khung symbol có thể chọn chiều dài và kiểu
FSC. Điều này phụ thuộc vào môi trường kênh và hiệu suất hệ thống. Khi môi
trường kênh xấu, ta có thể mở rộng chiều dài và giảm
W
F
P
và
M
P
.
3.4 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM
Trong kỹ thuật đồng bộ tấn số cần quan tâm đến lỗi tần số và thực hiện ước
lượng tần số. Lỗi tần số ở đây là sự lệch tần số nguyên nhân do sự sai khác giữa hai
bộ tạo dao động bên phát và bên thu, độ dịch tần Doppler và nhiễu pha do kênh
không tuyến tính. Hai ảnh hưởng lỗi tần số làm giảm biên độ tín hiệu (do tín hiệu có
dạng hình sine) được lấy mẫu không phải tại đỉnh và tạo ra xuyên nhiễu kênh ICI
giữa các kênh phụ do mất tính trực giao của các sóng mang phụ .
Vấn đề đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM gồm có đồng bộ tần số lấy mẫu
và đồng bộ tần số sóng mang.
3.4.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu
Tại bên thu, tín hiệu thu liên tục được lấy mẫu theo đồng hồ máy thu. Sự
chênh lệch nhịp đồng hồ giữa máy phát và máy thu gây ra xoay pha, suy hao thành

phần tín hiệu có ích, tạo ra xuyên nhiễu kênh ICI.
Để khắc phục vấn đề này, giải pháp thứ nhất là sử dụng thuật toán điều khiển
bộ dao động điều chỉnh bởi điện áp VCO; giải pháp thứ hai là thực hiện xử lý số để
động bộ tần số lấy mẫu trong khi giữ cố định tần số lấy mẫu.
3.4.2 Đồng bộ tần số sóng mang
Bảng các từ viết tắt


Đồng bộ tần số là vấn đề quyết định đối với hệ thống thông tin đa sóng
mang. Nếu việc thực hiện đồng bộ không bảo đảm, hiệu suất của hệ thống cũng như
ưu điểm của hệ thống này so với hệ thống thông tin đơn sóng mang giảm đi đáng
kể. Để thực hiện đồng bộ tần số sóng mang phải ước lượng khoảng dịch tần sóng
mang CFO.
Cũng như đồng bộ thời gian (symbol), có thể chia các giải pháp ước lượng
tần số thành các loại : dựa vào tín hiệu dữ liệu, dựa vào tín hiệu pilot, dựa vào CP,
3.4.2.1 Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang CFO dựa vào pilot
Trong thuật toán này, một số sóng mang được sử dụng để truyền dẫn tín hiệu
pilot. Tín hiệu thường được chọn là các tín hiệu PN. Bằng cách sử dụng một thuật
toán thích hợp, bên thu sẽ xác định được giá trị xoay pha của tín hiệu gây ra bởi sai
lệch tần số. Nếu độ sai lệch tần số nhỏ hơn một nửa khoảng cách tần số giữa hai
sóng mang phụ kề nhau, ánh xạ giữa giá trị xoay pha và độ lệch tần số là ánh xạ 1-1
nên có thể xác định duy nhất độ chênh lệch tần số.
3.4.2.2 Ước lượng tần số sóng mang sử dụng CP
Xét sóng mang phụ được điều chế bằng một dòng dữ liệu:
1 ,,1)(
1
)(
1
0
2





NLnekS
N
nu
N
k
N
nk
j


Tín hiệu ở phía phát:


n
s
nTggnutx )()()(

Tín hiệu ở phía thu: )()()()( tnnTghnuty
n
s


, với h(t) là đáp ứng kênh;
n(t) là đáp ứng nhiễu.
Bảng các từ viết tắt

Tín hiệu CP với chiều dài L (Hình 3.9), tín hiệu ở phía thu sẽ là:
)()()(
/2
iniueiy
Nij
m



Đối với


0 ,,1 LI , Ii

hàm
 










Nle
l
liyiyE

j
s
ns
mm



22
22
0
)()(


Hình 3.9: CP trong một symbol OFDM

Hàm ước lượng:
y



2
1
, với




0
1
)()(

Li
mm
Niyiyy

Giá trị ước lượng chỉ thỏa mãn khi
5,0

, khi
5,0

phải thực hiện
lại một giả định ban đầu.
3.4.2.3 Ước lượng CFO dựa trên dữ liệu
Tín hiệu ở phía thu được biểu diễn:



12,1,0;)(
1
)(
/)(2
NneHkS
N
ny
Nknj
km


Ta có thể tách hai phần sau khi qua FFT:






1
0
2
1
)(
1
)(
N
n
N
nk
j
m
eny
N
kY


0

n
1


N
n

1



Ln