ước lượng kênh truyền bán mù trong hệ thống ofdm

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN THỊ PHƯƠNG THẢO

ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN BÁN MÙ
TRONG HỆ THỐNG OFDM

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203

S K C0 0 4 5 5 1

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2015


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN THỊ PHƢƠNG THẢO

ƢỚC LƢỢNG KÊNH TRUYỀN BÁN MÙ
TRONG HỆ THỐNG OFDM

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203
Hƣớng dẫn khoa học:
PGS. TS PHẠM HỒNG LIÊN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2015


LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Trần Thị Phƣơng Thảo

Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 13/05/1984

Nơi sinh: Long An

Quê quán: Thủ Thừa - Long An

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 1/2/9A Linh Đông, P. Linh Đông, Q. Thủ Đức
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại nhà riêng:

Fax:

E-mail: thaola1305@yahoo. com

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……

Nơi học (trƣờng, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 10/2002 đến 01/2007

Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại học Văn Hiến Tp. HCM
Ngành học: Điện tử - Viễn thông
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Kỹ thuật MC-CDMA
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 1/2007, ĐH Văn Hiến
Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Đinh Quốc Hùng
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

2008 - nay

ĐH Văn Hiến

Giảng dạy

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Trần Thị Phƣơng Thảo

ii


LỜI CẢM ƠN

Tôi chân thành cảm ơn PGS. TS Phạm Hồng Liên đã tận tình hƣớng dẫn tôi
trong suốt quá trình thực hiện đề tài .
Tôi cũng gởi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật
Thành phố Hồ Chí Minh đã ta ̣o điề u kiê ̣n cho tôi trong quá trin
̀ h ho ̣c tâ ̣p và nghiên
cƣ́u.
Tôi cảm ơn các bạn cùng khóa luôn giúp đỡ tôi trong lúc khó khăn.
Cuối cùng, tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình tôi.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…
Học viên Trần Thị Phƣơng Thảo

iii

MỤC LỤC

Trang tựa

TRANG

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... vi
DANH SÁCH CÁC BẢNG .................................................................................... viii
DANH SÁCH CÁC HÌNH ....................................................................................... ix
Chƣơng 1: TỔNG QUAN ...........................................................................................1
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nƣớc đã công bố: ...........................................................................................1
1.2. Mục đích của đề tài. .......................................................................................7
1.3. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài. .........................................................7
1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu. ..............................................................................7
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................8
2.1. Kỹ thuật điều chế phân chia tần số trực giao OFDM ....................................8
2.1.1.

Sơ đồ khối hệ thống OFDM: ...............................................................8

2.1.2.

Ánh xạ điều chế ...................................................................................9

2.1.3.

Ƣu điểm - nhƣợc điểm của hệ thống OFDM ....................................10



Ƣu điểm của hệ thống OFDM .......................................................................10



Nhƣợc điểm của hệ thống OFDM: ................................................................11

2.2. Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM ................................11
2.2.1.

Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation) ...................................................11

2.2.2.

Hiệu ứng đa đƣờng ............................................................................12

2.2.3.

Dịch Doppler .....................................................................................17

2.2.4.

Nhiễu AWGN ....................................................................................17

iv


2.2.5.

Nhiễu liên ký tự ISI ...........................................................................17

2.2.6.

Nhiễu liên sóng mang ICI .................................................................18

2.3. Ƣớc lƣợng kênh truyền bán mù ...................................................................20
2.3.1. Hệ thống ƣớc lƣợng kênh truyền bán mù .................................................20
2.3.2.1.

Sơ đồ hệ thống ƣớc lƣợng kênh truyền bán mù ....................................20

2.3.2.2.

Cấu trúc pilot đƣợc chèn vào dữ liệu ....................................................22

2.3.2.3.

Mô hình kênh truyền ITU sử dụng cho Wimax di động .......................25

2.3.2. Ứng dụng thuật toán EM (Expectation Maximization) cho ƣớc lƣợng
kênh truyền bán mù ...............................................................................................27
2.3.2.1.

Giới thiệu thuật toán EM ......................................................................27

2.3.2.2.

Giới thiệu thuật toán LS ........................................................................28

2.3.2.3.

Giải thuật Kalman sử dụng cho ƣớc lƣợng kênh truyền .......................28

2.3.2.4.

Áp dụng thuật toán EM vào ƣớc lƣợng kênh truyền ............................29

2.3.2.5. Kết hợp thuật toán EM với thuật toán LS, Kalman để tính đáp ứng tần
số kênh truyền .......................................................................................................31
1.

Ƣớc lƣợng theo tiêu chuẩn LS .................................................................31

2.

Kết hợp thuật toán EM với LS cho cấu trúc block pilot ..........................32

3.

Thuật toán EM cho cấu trúc comb pilot ...................................................33

Chƣơng 3: CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ................................................................38
3.1. Giới thiệu .....................................................................................................38
3.2. Đánh giá kết quả mô phỏng BER theo số lần lặp cho thuật toán EM .........43

3.3. So sánh BER các phƣơng pháp kết hợp với thuật toán EM ........................44
3.4. Đánh giá thuật toán EM khi dịch Doppler thay đổi ....................................47
Chƣơng 4: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỀN ..............................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................52

v


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

4G

Fourth Generation

AWGN

Additive White Gaussian Noise

BER

Bit-Error Rate

BS

Base Station

CP

Cyclic Prefix

CSI

Channel State Information

DFT

Dscrete Fourier Transform

EGC

Equal Gain Combining

EM

Expectation Maximization

FEC

Forward Error Correction

FFT

Fast Fourier Transform

ICI

Inter-Carrier Interference

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

ISI

Inter-Symbol Interference

ITU

International Telecommunication Union

LOS

Loine-Of-Sight

LS

Least Square

MIMO

Multi-Input Multi-Output

MISO

Multi-Input Single-Output

ML

Maximum Likelihood

M-PSK

M-Phase Shift Keying

MRC

Maximal-Ratio Combining

MS

Mobile Station

OFDM

Orthogonal Frequency-Division Multiplexing

PDF

Probability Density Function

P/S

Parallel to Serial
vi


QoS

Quality of Service

S/P

Serial to Parallel

SC

Selection-Combining

SIMO

Single-Input Multi-Output

SISO

Single-Input Single-Output

SNR

Signal-Noise Ratio

STBC

Space-Time Block Coding

TDMA

Time Division Multiple Access

vii


DANH SÁCH CÁC BẢNG

BẢNG

TRANG

Bảng 2. 1: Sự phân bố lũy tích đối với phân bố Rayleigh ........................................15
Bảng 2. 2: Các giá trị trải trễ thông dụng ..................................................................16
Bảng 2. 3: Mô hình kênh truyền indoor ....................................................................27
Bảng 2. 4: Mô hình kênh truyền pedestrian ..............................................................27
Bảng 2. 5: Mô hình kênh truyền vehicular ................................................................28
Bảng 3. 1: BER của các trƣờng hợp lặp 300, 500, 700, 1000 lần .............................45
Bảng 3. 2: Giá trị BER của các phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh truyền kết hợp thuật
toán EM .....................................................................................................................47
Bảng 3. 3: Giá trị BER theo vận tốc di chuyển trong các môi trƣờng ......................49

viii


DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH

TRANG

Hình 1.1. MSE và BER với độ dài kênh khác nhau ....................................................4
Hình 2. 1: Sơ đồ khối của hệ thống OFDM .............................................................10
Hình 2. 2: Bộ điều chế và giải điều chế ....................................................................10
Hình 2. 3: Quan hệ giữa tốc độ ký tự và tốc độ bit phụ thuộc vào số bit trong một ký
tự................................................................................................................................11
Hình 2. 4: Ảnh hƣởng của môi trƣờng vô tuyến lên suy giảm tín hiệu ....................13
Hình 2. 5: Ảnh hƣởng của môi trƣờng vô tuyến lên hiệu ứng đa đƣờng ..................14
Hình 2. 6: Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz) .......15
Hình 2. 7: Trải trễ đa đƣờng ......................................................................................17
Hình 2. 8: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM ..............................20
Hình 2. 9: Sơ đồ hệ thống ƣớc lƣợng kênh truyền bán mù .......................................21
Hình 2. 10: Sắp xếp pilot dạng khối ..........................................................................24
Hình 2. 11: Sắp xếp pilot dạng lƣợc..........................................................................25
Hình 2. 12: Thuật toán EM cho cấu trúc block pilot một ký tự ................................34
Hình 2. 13: Thuật toán EM cho cấu trúc block pilot một nhóm ký tự ......................35
Hình 2. 14: Thuật toán EM kết hợp LS với cấu trúc comb pilot cho 1 ký tự OFDM
.................................................................................................................................126
Hình 2. 15: Thuật toán EM kết hợp LS với cấu trúc comb pilot cho 1 nhóm ký tự
OFDM .......................................................................................................................37
Hình 2. 16: Thuật toán EM kết hợp LS và Kalman với cấu trúc comb pilot cho 1 ký
tự OFDM ...................................................................................................................38
Hình 2. 17: Thuật toán EM kết hợp LS và Kalman với cấu trúc comb pilot cho 1
nhóm ký tự OFDM ....................................................................................................39
ix

Hình 3.1: Lƣu đồ hoạt động của máy phát (1/2) .......................................................41
Hình 3.2: Lƣu đồ hoạt động của máy phát (2/2) .......................................................42
Hình 3.3: Lƣu đồ hoạt động của kênh truyền ...........................................................43
Hình 3.4: Lƣu đồ hoạt động của máy thu..................................................................44
Hình 3.5: So sánh số lần lặp trong thuật toán EM ....................................................46
Hình 3.6: So sánh BER các phƣơng pháp kết hợp thuật toán EM ............................48
Hình 3.7: BER theo vận tốc trong môi trƣờng Indoor và Pedestrian ........................50

x


Chƣơng 1:
TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nƣớc đã công bố:
Các thế hệ mạng không dây kế tiếp đƣợc mong chờ cung cấp cho các thuê bao
với các dịch vụ đa phƣơng tiện không dây nhƣ truy cập Internet tốc độ cao, truyền
hình di động và máy tính tích hợp thiết bị di động, v. v… Sự đòi hỏi các dịch vụ này
nhanh chóng tăng nhanh dẫn đến yêu cầu các kỹ thuật truyền tốc độ cao hơn và chất
lƣợng dịch vụ (QoS) cũng phải tăng theo trong khi băng thông không đƣợc phép mở
rộng. Những năm gần đây, công nghệ thông tin di động thế hệ thứ tƣ (4G) ra đời và
đang dần hoàn thiện.
Ƣớc lƣợng kênh truyền là thành phần không thể thiếu trong bất kì hệ thống vô
tuyến nào. Khác với một mạng truyền dẫn có dây, tín hiệu kênh truyền trong thông
tin vô tuyến bị tác động bởi nhiều yếu tố nhƣ: fading, nhiễu xạ hay tán xạ do các
công trình kiến trúc nằm giữa thiết bị phát và thiết bị thu, tƣơng quan tín hiệu do
ảnh hƣởng các kênh phát kề nhau, ảnh hƣởng bởi tần số phát kề nhau giữa các kênh,
nhiễu xen kênh, … Do đó, thế hệ thông tin di động thứ hai đã dùng đa truy cập phân
chia theo thời gian TDMA (Time Devision Modulation Access), ngƣời ta đã sử

dụng đến phƣơng pháp ƣớc lƣợng dùng chuỗi huấn luyện. Hiện nay, các nghiên cứu
về ƣớc lƣợng kênh truyền vô tuyến có thể phân thành ba loại: ƣớc lƣợng kênh dựa
vào chuỗi huấn luyện (ƣớc lƣợng rõ), ƣớc lƣợng kênh mù và ƣớc lƣợng bán mù.
Trong ƣớc lƣợng dựa trên chuỗi huấn luyện, giả sử tín hiệu phát đƣợc sắp xếp
gồm các thông tin huấn luyện nhƣ là mào đầu của chuỗi dữ liệu, sau đó là phần tín
hiệu mang tin. Những tín hiệu huấn luyện này hoàn toàn đƣợc biết ở phía thu và
1


thƣờng có những thiết kế đặc biệt cho chuỗi huấn luyện này. Phƣơng pháp ƣớc
lƣợng dựa trên huấn luyện có thể đƣợc thực hiện dựa trên hai loại pilot là dạng lƣợc
(comb) hoặc dạng khối (block) [2]. Ƣớc lƣợng kênh truyền pilot dạng khối dùng
trong kênh truyền fading chậm; điều này giả sử rằng hàm truyền của kênh truyền
không thay đổi nhanh trên các ký tự phát đi. Ƣớc lƣợng kênh truyền pilot dạng lƣợc
đƣợc dùng đến khi kênh truyền thay đổi trong một khối ký tự phát.
Đối với ƣớc lƣợng mù [4], ngƣời thiết kế loại bỏ chuỗi huấn luyện, tín hiệu
đƣợc khôi phục nhờ căn cứ trên thông tin thu đƣợc. Ý tƣởng chính của thuật toán
này dựa vào thống kê tín hiệu. Chẳng hạn, nếu phía phát truyền các chòm sao tín
hiệu có tín đối xứng với các xác suất biết trƣớc bằng nhau, thì bộ thu nhận luồng kí
hiệu có trung bình thống kê bằng 0. Thêm vào đó, với thông tin về tƣơng quan tín
hiệu phát, giá trị tƣơng quan tín hiệu thu cần tính có thể ƣớc lƣợng phần nào đó giá
trị kênh truyền. Do vậy, thông tin thống kê cung cấp giá trị trung bình để ƣớc lƣợng
kênh. Nhờ loại bỏ kí hiệu huấn luyện, giải pháp này cho hiệu quả băng thông cao.
Mặc dù phƣơng pháp mù hiện tại có một số ƣu điểm, nhƣng chúng cũng mắc
một số hạn chế so với các kỹ thuật không mù. Nhìn chung, các thuật toán mù
thƣờng có xu hƣớng phải tính toán tốn chi phí hơn. Một số phƣơng pháp mù hội tụ
về một cục bộ chứ không phải là tối thiểu toàn cục do tính chất phi tuyến của chúng.
Hai vấn đề trên có thể đƣợc giải quyết bằng cách sử dụng một chuỗi tín hiệu huấn
luyện ngắn hạn. Mặc dù các thuật toán sau đó không còn mù, nhƣng nó kết hợp
những ƣu điểm của thuật toán mù và không mù. Trong thực tế, ngƣời thiết kế kết

hợp cả hai phƣơng pháp để giảm thiểu chuỗi huấn luyện của phƣơng pháp không
mù, và tính thiết thực của phƣơng pháp mù để tính toánvới chi phí thấp hơn. Cách
tiếp cận này đƣợc gọi là bán mù (semi-blind) [5].
Cấu trúc pilot cũng ảnh hƣởng đáng kể tới việc ƣớc lƣợng kênh truyền, vì
việc ƣớc lƣợng kênh truyền phụ thuộc rất nhiều vào chuỗi huấn luyện pilot. Kênh
truyền bị ảnh hƣởng bởi rất nhiều dạng nhiễu nhƣ fading, doppler, suy giảm tín
hiệu. . . Những tác nhân này sẽ gây biến đổi rất lớn đến chuỗi pilot nhận đƣợc tại bộ
2


thu. Ngoài ra công suất phát cho pilot quá lớn sẽ ảnh hƣởng tới năng lƣợng tiêu tốn
của hệ thống. Do việc xây dựng cấu trúc pilot cũng là một yếu quan trọng cần quan
tâm. Trƣớc đây, chuỗi ngẫu nhiên thƣờng đƣợc sử dụng làm chuỗi huấn luyện. Tuy
nhiên chuỗi này lại không đạt đƣợc tối ƣu trong việc ƣớc lƣợng kênh truyền do dễ
bị ảnh hƣởng bởi nhiễu. Một số bài báo, công trình khoa học đã chỉ ra rằng chuỗi
pilot cách đều pha và biên độ có thể khắc phục đƣợc ảnh hƣởng của nhiễu và duy trì
công suất phát cho pilot ở mức chấp nhận đƣợc. Một dạng khác của chuỗi pilot đó
là chuỗi pilot trực giao, các thành phần sóng mang phụ của chuỗi đƣợc trực giao với
nhau thông qua quy trình trực giao Gram-Schmidt [6]. Nhờ vào tính trực giao nên
ảnh hƣởng của nhiễu đã đƣợc khắc phục. Tuy nhiên công suất phát lại quá lớn đối
với cấu trúc pilot dạng này.
Một số kết quả nghiên cứu đã công bố:
 Trong bài "Blind Channel Estimation Enhancement For MIMO OFDM Systems Under High Mobility Conditions" [4] tác giả đã trình
bày sự cải tiến của các ƣớc lƣợng kênh mù trong hệ thống OFDM đa
anten hoạt động trên kênh fading chọn lọc tần số. Cách tiếp cận không
gian con, đã cho thấy hiệu quả và tính linh hoạt của nó so với các
phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh khác. Việc thực hiện các ƣớc lƣợng cải
tiến đã đƣợc điều tra bởi các mô phỏng máy tính. Kết quả cho thấy rõ
hiệu quả của thuật toán mà tác giả đề ra, cũng nhƣ cải tiến nó dựa trên
các kỹ thuật không gian con hiện có. Phân tích lý thuyết và mô phỏng

kết quả cho thấy rằng thuật toán có hiệu suất tốt cho trải phổ Doppler
cao.

3


Hình 1.1. MSE và BER với độ dài kênh khác nhau
4


Các hình trên cho thấy BER đối với các giá trị khác nhau của độ dài của các
kênh và với trải phổ Doppler khác nhau. Chúng ta có thể đánh giá rằng kết
quả là thỏa mãn và đƣợc tăng cƣờng so với các công trình khác. Chúng ta
thấy rằng khi SNR dƣới 10 dB thì BER là thấp hơn cho chiều dài kênh là 4
nhƣng khi SNR vƣợt quá 10dB thì chiều dài kênh là 8 sẽ tốt hơn.
 Trong bài "Semi-blind MIMO-OFDM Channel Estimation based on

ICA and Pilot Carriers" [6], tác giả đã đề xuất một phƣơng pháp ƣớc
lƣợng kênh truyền MIMO-OFDM bán mù hiệu quả dựa trên ICA
(Independent Component Analysis) và chuỗi pilot. Các hoán vị bất
định vốn có ICA đã đƣợc giải quyết thành công bằng cách chập giữa
dữ liệu và chuỗi pilot. Hơn nữa, so với phƣơng pháp thông thƣờng,
ICA phức tạp đã giảm đáng kể, độ chính xác và tốc độ hội tụ đã đƣợc
cải thiện bằng các ma trận tiền ƣớc lƣợng riêng biệt. Các kết quả mô
phỏng máy tính cũng chứng minh hiệu quả của phƣơng pháp đề xuất.
 Trong bài "Joint Precoding Algorithm for OFDM Blind Channel

Estimation" [3], tác giả đã đề xuất một thuật toán tiền mã hóa
Hadamard cho ƣớc lƣợng kênh mù trong hệ thống OFDM trên kênh
fading Rayleigh. Đề án đề xuất xem xét cả lỗi ƣớc lƣợng và lỗi phát

hiện. Việc thực hiện các thuật toán đề xuất đã đƣợc điều tra bởi các
chƣơng trình mô phỏng máy tính. Kết quả cho thấy rõ ràng rằng tại
SNR 30dB, phƣơng pháp đề xuất có thể đạt đƣợc hiệu suất BER tốt
hơn lên đến 10-3 so với các phƣơng pháp thông thƣờng.
 Trong "MIMO-OFDM Channel Estimation using Pilot Carries" [1],
phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh truyền dựa vào APES và GAPES đã đƣợc
thực hiện với phƣơng pháp APASBCE và nó cho thấy rằng có sự cải
thiện trong các kết quả của ƣớc lƣợng kênh bán mù sử dụng các chƣơng
phƣơng pháo ƣớc lƣợng dựa trên các bộ lọc trên. Kết quả so sánh cho
thấy các phƣơng pháo ƣớc lƣợng kênh truyền phức tạp có thể đƣợc thay
thế bằng cách sử dụng các phƣơng pháp dựa trên với các bộ lọc mà đề
5


xuất là phƣơng pháp APASBCE. Thời gian mô phỏng là ít hơn cho
APASBCE dựa vào phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh truyền APES và
GAPES và hơn nữa bản chất thích nghi của các chƣơng trình dựa trên lọc
rất dễ dàng để thực hiện. Các chƣơng trình có thể đƣợc thực hiện trong
môi trƣờng di động và trong các khu đô thị nơi mà có nhiều hiệu ứng và
fading. Các phƣơng pháp có thể đƣợc mở rộng cho các hệ thống đa ngƣời
dùng MIMO, nơi có số lƣợng nhiều dữ liệu mất hơn do sự giao thoa và
fading
 Trong bài "Giải pháp sử dụng bộ lọc thích nghi Kalman cho hệ thống ƣớc
lƣợng kênh truyền Wimax di động" [12], bài báo đã phân tích các bộ ƣớc
lƣợng thích nghi sử dụng bộ lọc Kalman và Kalman mở rộng (EKF). Các
thông số mô phỏng dựa trên tiêu chuẩn 802. 16e và mô phỏng tại tần số
2. 5GHz với băng thông 20MHz. Bài báo đã mô phỏng ứng dụng các bộ
ƣớc lƣợng thích nghi dựa vào bộ lọc Kalman trong môi trƣờng fading với
vận tốc di chuyển khác nhau (tƣơng ứng với độ dịch tần Doppler khác
nhau). Với môi trƣờng fading với tốc độ di chuyển thấp (môi trƣờng

indoor), Bộ ƣớc lƣợng EKF cho kết quả tốt nhất. Với môi trƣờng
pedestrian, các bộ ƣớc lƣợng vẫn cho kết quả chấp nhận đƣợc với độ dịch
tần thấp (tốc độ di chuyển chậm). Với độ dịch tần cao thì các bộ cân bằng
cho kết quả không tốt và có sai số lớn. Với những ƣu điểm và hạn chế của
bộ lọc thích nghi Kalman và EKF, ngoài những ƣu điểm đƣợc đề xuất có
thể nâng cao chất lƣợng hệ thống, để khắc phục những nhƣợc điểm của
giải thuật Kalman, bài báo đề xuất nên hạn chế sử dụng giải thuật bộ lọc
thích nghi khi phát hiện môi trƣờng fading quá nhanh, có thể kết hợp giữa
bộ ƣớc lƣợng thích nghi và truyền thống và sử dụng linh hoạt tùy điều
kiện kênh truyền. Đây cũng là một trong những hƣớng nghiên cứu tiếp
theo của bài báo nhằm khắc phục đƣợc trong môi trƣờng fading với độ
dịch tần Doppler lớn

6


 Trong luận văn thạc sỹ: "Hiệu quả của mẫu Pilot cho ƣớc lƣợng kênh
truyền dẫn OFDM" [13], tác giả đã dùng mẫu pilot để ƣớc lƣợng kênh
truyền theo thuật toán LS và MMSE. Kết quả cho thấy thuật toán MMSE
cho kết quả tốt hơn (BER lên đến 10-5 tại SNR 20)
1.2. Mục đích của đề tài.
Tìm hiểu và đánh giá giải thuật ƣớc lƣợng kênh truyền bán mù sử dụng thuật
toán EM (Expectation Maximization) cho hệ thống OFDM.
1.3. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài.
Đề tài tập trung nghiên cứu các giải thuật ƣớc lƣợng kênh truyền bán mù sử
dụng thuật toán EM cho mô hình hệ thống OFDM trên kênh truyền bất biến theo
thời gian.
1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Dựa trên cơ sở dữ liệu trực tuyến của IEEE, tác giả sƣu tập các bài báo khoa
học để nghiên cứu, đánh giá các hệ thống có sử dụng giải thuật ƣớc lƣợng kênh

truyền bán mù dùng thuật toán EM đã đƣợc phát triển bởi các nhà nghiên cứu, giáo
sƣ ở các Đại học, Viện nghiên cứu trên thế giới. Căn cứ vào các giải thuật đã phát
triển, tác giả sẽ triển khai hệ thống để đánh giá giải thuật ƣớc lƣợng kênh truyền bán
mù dùng thuật toán EM trong hệ thống OFDM. Hệ thống mô phỏng đƣợc thực hiện
bằng phần mềm Matlab.

7


Chƣơng 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Kỹ thuật điều chế phân chia tần số trực giao OFDM
2.3.1

Sơ đồ khối hệ thống OFDM:
Hình 2.1 mô tả sơ đồ khố i của mô ̣t hê ̣ thố ng thu phát OFDM tiêu biể u . Đầu

tiên dữ liệu nhị phân tốc độ cao sẽ đƣợc điều chế ánh xạ bằng M-QAM và đƣợc mã
hóa bằng cách sử dụng thuật toán sửa lỗi thuận (FEC) và đƣợc sắp xếp theo một tự
hỗn hợp. Các ký tự điều chế sau đó sẽ đƣợc chia thành nhiều dòng dữ liệu song
song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp thành song song (S/P: Serial/
Parrallel). Những ký tự hỗn hợp đƣợc đƣa đến đầu vào của khối IDFT. Khối này sẽ
tính toán các mẫu thời gian tƣơng ứng với các kênh nhánh trong miền tần số. Sau
đó, khoảng bảo vệ đƣợc chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các
kênh di động vô tuyến đa đƣờng tạo thành các ký tự OFDM. Các ký tự OFDM song
song qua bộ chuyển từ song song sang nối tiếp. Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng
tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh.
Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hƣởng nhƣ
nhiễu trắng cộng AWGN, …

Ở phía thu, tín hiệu đƣợc chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt
đƣợc tại bộ thu. Khoảng bảo vệ đƣợc loại bỏ và các mẫu đƣợc chuyển từ miền thời
gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT. Sau đó, tùy
vào sơ điều chế đƣợc sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang
nhánh sẽ đƣợc cân bằng bằng bộ cân bằng kênh. Các ký tự hỗn hợp thu đƣợc sẽ
đƣợc sắp xếp ngƣợc trở lại và đƣợc giải mã. Cuối cùng chúng ta sẽ thu đƣợc dòng
dữ liệu nối tiếp ban đầu.
8


Dữ liệu
nhị phân Ánh xạ
điều
chế

S/P

IDFT

Chèn
khoảng
bảo vệ

P/S

Khuếch
đại điều
chế RF
Kênh truyền
AWGN

n(t)

Dữ liệu
ngõ ra

Giải
điều
chế

P/S

Ƣớc
lƣợng
kênh

DFT

Loại bỏ
khoảng
bảo vệ

S/P

+
Khuếch
đại giải
điều chế
RF

Hình 2. 1: Sơ đồ khố i của hê ̣ thố ng OFDM

Ánh xạ điều chế

2.3.2

Hình 2.2: Bộ điều chế và giải điều chế
Từng ký tự b bít sẽ đƣợc đƣa vào bộ mapper mục đích là nâng cao dung
lƣợng kênh truyền. Một ký tự b bit sẽ tƣơng ứng một trong M = 2b trạng thái hay
một vị trí trong giản đồ chòm sao.


BPSK sử dụng ký tự 1bit, bit 0 hoặc bit 1 sẽ xác định trạng thái pha 00
hoặc 1800, tốc độ baund hay tốc độ chuỗi sẽ bằng tốc độ bit Baund=Rb.
9




QPSK sử dụng ký tự 2 bit (Dibit), Baund =Rb/2.



8-PSK hay 8-QAM sử dụng ký tự 3 bit (Tribit), Baund=Rb/3.



16-PSK hay 16-QAM sử dụng ký tự 4 bit (Quabit), Baund=Rb/4.

Hình 2. 3: Quan hệ giữa tốc độ ký tự và tốc độ bit phụ thuộc vào số bit trong một ký
tự
Số bit đƣợc truyền trong một ký tự tăng lên (M tăng lên), thì hiệu quả băng

thông Befficiency=Rb/BT=log2(M)=b[bps/Hz] tăng lên, tuy nhiên sai số BER cũng sẽ
tăng lên.
2.3.3

Ƣu điểm - nhƣợc điểm của hệ thống OFDM

 Ƣu điểm của hệ thống OFDM
-

OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấp những sóng
mang con.

-

Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng
hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ
thống sóng mang đơn.
10


OFDM loại trừ nhiễu ký tự (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI)

-

bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trƣớc mỗi ký tự.
Sử dụng việc chèn kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi

-

phục lại đƣợc các ký tự bị mất do hiện tƣợng lựa chọn tần số của các kênh.

Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích

-

ứng đƣợc sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang.
Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều

-

chế làm giảm chức năng phức tạp của OFDM.
OFDM ít bị ảnh hƣởng với khoảng thời gian lấy mẫu hơn so với hệ thống

-

đơn sóng mang.
 Nhƣợc điểm của hệ thống OFDM:
Ký tự OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn. Vì tất cả các hệ

-

thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao là một bất
lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở
miền bão hòa đều khuếch đại tín hiệu OFDM.
-

Mấ t mát hiê ̣u suấ t phổ do chèn khoảng dƣ̣ trƣ̃ .

-

Nhạy với hiệu ứng trải phổ Doppler hơn so với hệ thống đơn sóng mang .

-

Nhiễu pha do sƣ̣ không phố i hơ ̣p giƣ̃a các bô ̣ dao đô ̣ng ở máy phát và máy
thu có thể ảnh hƣởng nhiề u đế n chấ t lƣơ ̣ng hê ̣ thố ng.
Phải có sự đồng bộ chính xác về tần số và thời gian, đă ̣c biê ̣t là tầ n số

2.2.

Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM

2.2.1.

Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation)

Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình
truyền từ điểm này đến điểm khác. Điều này có thể là do đƣờng truyền dài, do các
tòa nhà cao tầng và hiệu ứng đa đƣờng. Hình 2. 4 cho thấy một số nguyên nhân làm

11


suy giảm tín hiệu. Bất kì một vật cản nào trên đƣờng truyền đều có thể làm suy
giảm tín hiệu.

Tán xạ

Phản xạ

Truyền thẳng

Khúc xạ
Che khuất

Trạm gốc

Trạm di động

Tán xạ

Hình 2. 4: Ảnh hƣởng của môi trƣờng vô tuyến lên suy giảm tín hiệu
2.2.2.

Hiệu ứng đa đƣờng

 Rayleigh fading
Trong đƣờng truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ các
vật cản nhƣ đồi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đƣờng tín hiệu đến máy thu (hiệu
ứng đa đƣờng) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín
hiệu thu bị suy giảm. Hình 2. 5 chỉ ra một số trƣờng hợp mà tín hiệu đa đƣờng có
thể xảy ra.

12


Đƣờng phản xạ

Phát
Đƣờng đi thẳng

Thu

Hình 2. 5: Ảnh hƣởng của môi trƣờng vô tuyến lên hiệu ứng đa đƣờng
Mối quan hệ về pha giữa các tín hiệu phản xạ có thể là nguyên nhân gây ra
nhiễu có cấu trúc hay không có cấu trúc. Điều này đƣợc tính trên các khoảng cách
rất ngắn (thông thƣờng là một nửa khoảng cách sóng mang), vì vậy ở đây gọi là
fading nhanh. Mức thay đổi của tín hiệu có thể thay đổi trong khoảng từ 10-30dB
trên một khoảng cách ngắn. Hình 2. 6 mô tả các mức suy giảm khác nhau có thể xảy
ra do fading.

13