Kỹ thuật MIMO wavelet OFDM trong truyền thông không dây tt

SsdsdsdAa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẶNG LÊ KHOA

KỸ THUẬT MIMO-WAVELET OFDM
TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY
Chuyên ngành: Vật lý Vô tuyến và Điện tử
Mã số chuyên ngành: 62 44 03 01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH VẬT LÝ

Tp. Hồ Chí Minh – Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Khoa học tự
nhiên, ĐHQG TP. HCM.
Người hướng dẫn khoa học:
1. HDC: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phương
2. HDP: GS. TS. Hiroshi Ochi

Phản biện 1: PGS.TS. Phạm Hồng Liên
Phản biện 2: TS. Hà Hoàng Kha
Phản biện 3: TS. Hồ Văn Cừu
Phản biện độc lập 1: TS. Hà Hoàng Kha
Phản biện độc lập 2: TS. Phạm Ngọc Sơn

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà
nước họp tại

.....................................................................................................
.....................................................................................................
vào hồi
giờ
ngày
tháng
năm
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tổng hợp Quốc gia Tp.HCM
2. Thư viện trường Đại học Khoa học Tự Nhiên-HCM


MỞ ĐẦU
Ngày nay, kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM)
được ứng dụng rộng rãi và cũng là một ứng viên cho các hệ thống truyền
thông số ở tương lai. Kỹ thuật OFDM kết hợp với MIMO được xem là
công nghệ chính trong truyền thông không dây thế hệ thứ tư và vẫn đang
được xem xét trong truyền thông không dây thế hệ thứ năm.
Luận án này nghiên cứu ảnh hưởng của một số thuật toán giảm
PAPR cho hệ thống OFDM trong truyền thông không dây và không dây
quang. Trong đó, ảnh hưởng của thuật toán xén tín hiệu được phân tích chi
tiết cho cả hệ thống OFDM, MIMO-OFDM, và MIMO-wavelet OFDM.
Luận án có sáu đóng góp chính. Thứ nhất, luận án xây dựng phương trình
xác định chính xác tỉ lệ lỗi bit bằng phương pháp số của hệ thống OFDM
sử dụng phương pháp xén để giảm PAPR qua kênh truyền không dây có
phân bố Rayleigh và Rician. Thứ hai, luận án đã đề xuất một kỹ thuật tự
đồng bộ mới cho tín hiệu M-PAM đơn cực trong hệ thống OFDM. Thứ ba,
luận án xây dựng phương trình xác định tỉ lệ lỗi bit bằng phương pháp số
cho hai hệ thống ACO-OFDM, DCO-OFDM qua kênh truyền phản xạ
khuếch tán. Đóng góp thứ tư của luận án là xây dựng công thức tường minh

xác định tỉ lệ lỗi bit của hệ thống MIMO-DCO OFDM và MIMO-ACO
OFDM bị xén khi sử dụng phương pháp cân bằng ép không (ZF) và sai số
bình phương trung bình cực tiểu (MMSE). Đóng góp thứ năm là nghiên
cứu kỹ thuật MIMO-wavelet OFDM cho truyền thông không dây quang.
Cuối cùng, luận án đã đề xuất thuật toán giảm độ phức tạp trong thiết kế hệ
thống wavelet OFDM sử dụng hàm Haar.

Trang 1


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG THẾ HỆ
MỚI
1.1.1 Các ứng dụng phổ biến kỹ thuật MIMO-OFDM hiện nay
1.1

Năm 2002, Li và cộng sự đã đề xuất mô hình kết hợp của MIMO và
OFDM để cải thiện chất lượng hệ thống [4]. Ngày nay, kỹ thuật OFDM
hoặc kết hợp với MIMO được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền
thông số gồm truyền dữ liệu quảng bá, mạng diện rộng không dây
(WMAN), mạng cục bộ không dây (WLAN), và mạng cá nhân không dây
(WPAN).
1.1.2 Tiềm năng ứng dụng kỹ thuật MIMO-OFDM trong truyền thông
thế hệ mới
Nhiều kỹ thuật khác nhau đã được đề xuất cho mạng 5G, OFDM vẫn
được xem là một ứng viên tiềm năng [10-12] do sự tương thích với các
công nghệ chính trong 5G như massive MIMO [13]. Bên cạnh truyền dẫn
không dây bằng sóng điện từ, truyền thông bằng ánh sáng khả biến đang
được xem xét, chủ yếu là sử dụng các LED phát để thay thế các anten phát
thông thường. Có nhiều cấu trúc tạo tín hiệu OFDM cho truyền thông

không dây quang như cộng với một điện thế DC vào tín hiệu OFDM
(DCO-OFDM), xén đối xứng tín hiệu OFDM (ACO-OFDM), Flip-OFDM,
Unipolar-OFDM [24-26]. Trong đó, hai kỹ thuật phổ biến là DCO-OFDM
do thực hiện đơn giản và kỹ thuật sử dụng hiệu quả công suất ACO-OFDM
[27, 28]. Kỹ thuật MIMO-OFDM trong truyền thông không dây quang khi
kết hợp các loại đầu thu khác nhau đã được nghiên cứu bởi [29]. Kỹ thuật
MIMO-OFDM cho truyền thông không dây để đạt đến tốc độ 1 Gbps ở
khoảng cách truyền 1 m khi sử dụng cấu trúc MIMO 4x4 [30].

Trang 2


1.2

MỘT SỐ THỬ THÁCH SỬ DỤNG KỸ THUẬT MIMO-OFDM
TRONG TRUYỀN THÔNG THẾ HỆ MỚI
Cho dù sử dụng riêng lẻ kỹ thuật OFDM hay kết hợp với những kỹ

thuật khác thì tín hiệu ngõ ra cũng có một khuyết điểm quan trọng là tỉ số
công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) lớn [31]. Một phương
pháp đơn giản và có tính thương mại cao để giảm PAPR là xén tín hiệu.
Tuy vậy, việc xén tín hiệu tạo ra nhiễu do méo dạng và làm giảm chất
lượng hệ thống. Ảnh hưởng của nhiễu này đã được nghiên cứu đối với kênh
truyền AWGN [24, 32] nhưng chưa có nghiên cứu xác định chính xác ảnh
hưởng này cho kênh truyền không dây, truyền thông không dây quang qua
kênh truyền phản xạ khuếch tán, và đặc biệt là hệ thống MIMO-OFDM.
Hiện nay, một số nghiên cứu đề xuất sử dụng biến đổi wavelet thay
cho biến đổi Fourier truyền thống trong hệ thống OFDM và được gọi là
wavelet OFDM. Hệ thống này cũng có thể kết hợp với MIMO tạo thành hệ
thống MIMO-wavelet OFDM.

1.3

NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN
Thứ nhất, luận án đề xuất phương trình xác định chính xác tỉ lệ lỗi bit

bằng phương pháp số của hệ thống OFDM bị xén qua kênh truyền không
dây. Do bị ảnh hưởng của PAPR, tín hiệu OFDM có thể bị xén để đảm bảo
vùng hoạt động tuyến tính của bộ biến đổi số sang tương tự (DAC), và
khuếch đại công suất. Các đỉnh bị xén sẽ được mô hình như nhiễu tác động
đến hệ thống. Việc xác định ảnh hưởng của xén đối với kênh truyền
AWGN đã được trình bày ở các nghiên cứu trước [32]. Đối với kênh truyền
không dây, các tác giả thường giả định công suất nhiễu do xén nhỏ hơn
nhiều so với nhiễu khác hoặc sử dụng hàm mật độ xác suất của kênh truyền
thông thường [40-42]. Trong khi đó, do ảnh hưởng của xén ở đầu phát nên
hàm mật độ xác suất của kênh truyền cần được điều chỉnh. Hai mô hình
kênh truyền không dây phổ biến được xem xét gồm Rayleigh và Rician.

Trang 3


Để xây dựng các biểu thức, luận án đã ứng dụng bổ đề được đề xuất vào
năm 2014 và mở rộng vào năm 2015 về phân tích tỉ lệ lỗi của tín hiệu
OFDM bị méo dạng do bộ khuếch đại [43, 44]. Các công thức được đề xuất
ở đây chưa phải dạng tường minh nhưng có thể được sử dụng để đánh giá
chính xác tỉ lệ lỗi bit dưới sự hỗ trợ của phần mềm.
Thứ hai, luận án đề xuất thuật toán đồng bộ tín hiệu mới cho hệ
thống OFDM sử dụng tín hiệu M-PAM đơn cực. Kỹ thuật này cho phép
đầu thu lấy mẫu sớm một số lượng mẫu nhất định nhưng vẫn khôi phục
hoàn toàn thông tin mà không làm giảm chất lượng hệ thống.
Thứ ba, luận án đã xây dựng các công thức để xác định tỉ lệ lỗi bit

của hệ thống không dây quang sử dụng kỹ thuật OFDM qua kênh truyền
phản xạ khuếch tán. Trong hệ thống không dây quang, việc giới hạn công
suất phát của LED phát được phân tích tương tự tín hiệu OFDM bị xén.
Nhiều vấn đề liên quan đến sử dụng kỹ thuật OFDM trong truyền thông
không dây quang đã được nghiên cứu [24, 45-47]. Tuy nhiên, các nghiên
cứu về ảnh hưởng của tín hiệu OFDM bị xén chỉ tập trung vào kênh truyền
chỉ có đường truyền thẳng [48]. Đây là việc mở rộng đóng góp thứ nhất
cho hệ thống không dây quang qua kênh truyền phản xạ khuếch tán. Sự
phân bố tín hiệu của hai hệ thống DCO-OFDM và ACO-OFDM có khác
biệt so với tín hiệu OFDM thông thường nên các phương trình cần có sự
thay đổi cho phù hợp.
Thứ tư, luận án đã xây dựng công thức xác định tỉ lệ lỗi bit của hệ
thống MIMO-DCO OFDM và MIMO-ACO OFDM khi bị xén. Chất lượng
của hệ thống MIMO với hai kỹ thuật cân bằng phổ biến là ép không (ZF)
và sai số bình phương trung bình cực tiểu (MMSE) đã được phân tích bởi
[49]. Bằng việc mở rộng phân tích ảnh hưởng của xén tín hiệu kết hợp các
nghiên cứu trước về chất lượng hệ thống MIMO [49], tỉ lệ lỗi bit của hệ
thống MIMO-DCO OFDM và MIMO-ACO OFDM sử dụng ZF và MMSE

Trang 4


được xác định bằng công thức công thức tường minh. Kênh truyền không
dây quang ở đây được giả định chỉ có đường truyền thẳng (LOS).
Đóng góp thứ năm là nghiên cứu kỹ thuật MIMO-wavelet OFDM
cho truyền thông không dây quang với đường truyền LOS. Đặc thù của một
số hàm wavelet không có tính thống kê nên mỗi hàm wavelet sẽ cho tỉ lệ lỗi
bit khác nhau và không thể xây dựng công thức đánh giá chính xác chất
lượng hệ thống. Bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo, kỹ thuật
MIMO-wavelet OFDM sẽ cho chất lượng tốt hơn hệ thống MIMO-OFDM

khi chọn được các họ hàm tối ưu.
Cuối cùng, luận án đề xuất một thuật toán giảm độ phức tạp khi tính
toán biến đổi wavelet thuận và ngược cho hệ thống wavelet OFDM sử dụng
hàm Haar. Ý tưởng giảm độ phức tạp là sắp xếp và tính toán đa tầng việc
biến đổi IDWT và DWT. Cấu trúc này có thể thiết kế trên cả phần mềm lẫn
phần cứng, và ứng dụng cho các môi trường truyền khác nhau.

Trang 5


CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT OFDM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA XÉN TÍN
HIỆU TRONG TRUYỀN KHÔNG KHÔNG DÂY
2.1

GIỚI THIỆU
Kỹ thuật OFDM là một trường hợp đặc biệt của FDM khi chia luồng

dữ liệu có tốc độ cao thành nhiều luồng song song có tốc độ thấp và phát
mỗi luồng trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang con này trực
giao với nhau nên cho phép chúng chồng lấn lên nhau về phổ tần. Băng
thông trên mỗi sóng mang con nhỏ nên được xem là kênh truyền phẳng.
Trong trường hợp các sóng mang con đồng pha với nhau, đỉnh của tín hiệu
bằng tổng đỉnh của các sóng mang con. Điều này sẽ gây ra phi tuyến khi
truyền tín hiệu qua các bộ chuyển đổi DAC, và các mạch khuếch đại. Một
số thuật toán giảm PAPR đã được đề xuất như xén tín hiệu, chuỗi truyền
từng phần (PTS), chọn ánh xạ chòm sao (SLM) [50] [51] [52]. Trong đó,
phương pháp xén là dễ thực hiện nhất với độ phức tạp thấp và mang tính
thương mại cao [32]. Chương này sẽ xây dựng phương trình xác định chính
xác tỉ lệ lỗi bit bằng phương pháp số cho tín hiệu OFDM bị xén qua kênh
truyền không dây có phân bố Rayliegh và Rician.

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT KỸ THUẬT OFDM
Kỹ thuật OFDM chia luồng dữ liệu trước khi phát thành N luồng
song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng trên một sóng mang con
trực giao khác nhau. Máy thu OFDM có thể xem như gồm nhiều bộ giải
điều biến. Mỗi bộ sẽ thực hiện chuyển tín hiệu ở mỗi sóng mang xuống
băng gốc và tích phân trên một chu kỳ tín hiệu để khôi phục lại dữ liệu ban
đầu. Tương tự như phía phát, việc giải điều biến tín hiệu OFDM có thể
được thay thế bởi phép biến đổi FFT.
2.3 KỸ THUẬT TỰ ĐỒNG BỘ MỚI TRONG HỆ THỐNG OFDM
Do nguyên lý của tiền tố vòng là lấy một phần dữ liệu ở cuối đưa lên
đầu, nên việc lấy mẫu sớm trong khung OFDM có thể xem là dịch vòng tín

Trang 6


hiệu. Nguyên lý của giải điều biến M-PAM đơn cực là dựa vào biên độ của
tín hiệu nên việc dịch vòng không ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống.
2.4 MỘT SỐ THUẬT TOÁN GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG
OFDM
Do tín hiệu OFDM bị ảnh hưởng của PAPR, các đỉnh của tín hiệu sẽ
bị xén do thuộc tính của bộ biến đổi DAC, khuếch đại hoặc bị xén trước khi
đưa vào các mạch này. Phương pháp xén được thực hiện bằng cách thiết
lập giới hạn cao nhất cho tín hiệu. Khi tín hiệu có biên độ cao hơn giá trị
này, nó sẽ bị xén và sẽ bằng với giá trị giới hạn.
2.5

TỈ LỆ LỖI BIT CỦA TÍN HIỆU OFDM BỊ XÉN TRONG TRUYỀN
THÔNG KHÔNG DÂY
2.5.1 Tỉ lệ lỗi bit hệ thống OFDM bị xén qua kênh truyền Rayleigh
Để xác định chính xác BER của hệ thống OFDM bị xén qua kênh

truyền Rayleigh, hàm mật độ xác suất của kênh truyền cần được điều chỉnh.
Phương pháp xây dựng hàm mật độ xác suất có thể dựa vào bổ đề được
công bố gần đây về xây dựng hàm mật độ xác suất của méo dạng do bộ
khuếch đại của tín hiệu OFDM qua kênh truyền Rayleigh [44]. Tỉ lệ lỗi bit
của hệ thống qua kênh truyền Rayleigh bị xén được xác định bởi:
2

BERRayleigh 

G

 BER
0

AWGN



2

 
r



Eb 2
  G
N0



2

e

r




 2 G

 d.

(2.1)

với r là công suất trung bình của kênh truyền,  là hệ số tương quan
chuẩn hóa của tín hiệu trước và sau xén , và G là quan hệ giữa công suất
tín hiệu và công suất nhiễu do xén.
2.5.2 Tỉ lệ lỗi bit hệ thống OFDM bị xén qua kênh truyền Rician
Hàm mật độ xác suất công suất của kênh truyền Rician được trình bày bởi
[57]. Bằng cách hàm hàm mật độ xác suất công suất của kênh truyền
Rician bị xén kết hợp với hàm Bessel cải tiến [59], phương trình xác định
tỉ lệ lỗi bit bằng phương pháp số phụ thuộc vào tỉ số của đường LOS với

Trang 7


các đường NLOS K , hàm Bessel bậc 0 loại
phương trình trên:

2

BERRician 

G


0




 BERAWGN  




1

2



e

r

r

,  và G tương tự như

 2 ( K  1)
r



Eb 2
  G
N0

 K  K 1

2

I0 ,

Eb 2
(  G )
N0



2

e











K 

2
 G



 K 1
r

Eb
N0





cos u 



(2.2)




 dud .



2.6 KẾT QUẢ
2.6.1 Tỉ lệ lỗi bit hệ thống OFDM bị xén trong truyền thông không dây
Hình 2.1 trình bày kết quả mô phỏng khi truyền tín hiệu OFDM bị
xén qua kênh truyền Rayleigh.

Hình 2.1. BER của hệ thống OFDM bị xén qua kênh truyền Rayleigh

Trang 8


Kết quả mô phỏng tương thích tốt với công thức xác định BER bằng
phương pháp số tại các giá trị Eb / N o ở các hệ số xén khác nhau. Hình 2.2
trình bày kết quả mô phỏng hệ thống OFDM bị xén qua kênh truyền
Rician với hệ số xén khác nhau. Kết quả cho thấy phương trình toán học
xác định BER bằng phương pháp số tương thích hoàn toàn với kết quả mô
phỏng tại các hệ số xén khác nhau.

2.7

Hình 2.2. BER của hệ thống OFDM bị xén qua kênh truyền Rician
KẾT LUẬN
Phần quan trọng nhất của chương này là đề xuất phương pháp xác

định tỉ lệ lỗi bit bằng phương pháp số cho hệ thống OFDM bị xén qua kênh
truyền không dây có phân bố Rayleigh và Rician. Phương trình BER được
xây dựng dựa trên hàm mật độ xác suất cải tiến. Các phương trình tính toán

tỉ lệ lỗi bit được kiểm tra với mô phỏng. Kết quả mô phỏng phù hợp hoàn
toàn với phương trình xác định BER tại các tỉ số xén khác nhau.

Trang 9


CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG
KHÔNG DÂY QUANG
3.1 GIỚI THIỆU
Truyền thông không dây quang là một ứng viên tiềm năng cho mạng
truyền thông không dây thế hệ thứ 5 (5G) [21]. Đường truyền không dây
quang bị suy hao và phản xạ khuếch tán (diffuse reflection) tương tự như
hiện tượng truyền đa đường trong truyền sóng điện từ. Khi đó, kỹ thuật
OFDM được sử dụng để gửi luồng dữ liệu ở tốc độ cao. Do tín hiệu đặt vào
các LED phải thực và không âm, nên kỹ thuật OFDM cần phải có những
cải tiến. Nhiều kỹ thuật được đề xuất như cộng thêm điện thế nền một chiều
(DCO-OFDM), xén đối xứng (ACO-OFDM), phân cực vòng (CPOOFDM), và sắp xếp các dữ liệu để tạo tín hiệu đơn cực (U-OFDM) [25, 61,
62]. Trong đó, hai kỹ thuật được quan tâm là DCO-OFDM do cấu trúc đơn
giản và ACO-OFDM do hiệu suất sử dụng công suất cao. Các nghiên cứu
trước đã quan tâm đến chất lượng, tốc độ, dải động, và dạng tín hiệu của hệ
thống OFDM không dây quang [24, 26, 45, 47, 61, 62]. Phần lớn nghiên
cứu này tâp trung vào kênh truyền AWGN. Tuy nhiên, kênh truyền không
dây quang trong thực tế sẽ bị ảnh hưởng của phản xạ khuếch tán [63-66].
Hiện nay, có nhiều đề xuất khác nhau cho mô hình kênh truyền quang
không dây. Đối với môi trường truyền trong nhà, phân bố Rician có thể
được sử dụng để để mô hình kênh không dây quang [67]. Vì vậy, chương
này sẽ tập trung xây dựng các phương trình xác định tỉ lệ lỗi bit bằng
phương pháp số cho hệ thống DCO-OFDM và ACO-OFDM với giả định
kênh truyền có phân bố Rician.
3.2

KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY
QUANG
Do tín hiệu miền thời gian được sử dụng để điều chỉnh cường độ của

LED nên các tín hiệu này phải thực và dương trước khi điều chỉnh cường
độ LED [46]. Quá trình này thực hiện bằng đối xứng Hermitian.

Trang 10


3.3

KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY
QUANG QUA KÊNH TRUYỀN PHẢN XẠ KHUẾCH TÁN
3.3.1 Hệ thống DCO-OFDM qua kênh truyền phản xạ khuếch tán
Do giới hạn công suất LED phát cũng như để bảo vệ mắt, các tín
hiệu DCO-OFDM trong hệ thống không dây quang sẽ bị xén. Tỉ lệ lỗi bit
của hệ thống DCO-OFDM được xác định:


 BERAWGN  



2

BERDCO 

G


0

e








 2 ( K  1)
r



GDC Es 2
 DCO  G DCO
GB N 0



K 
GDC Es 2

DCO
 DCO G 
r


GB N 0


 K 1







1
2



2

e



2

 K  K 1
cos u 
GDC Es 2
DCO


(


G

)
r
DCO

GB N 0

 dud ,





với  DCO là hệ số tương quan chuẩn hóa của hệ thống DCO-OFDM,
G DCO là quan hệ giữa công suất tín hiệu và công suất nhiễu của DCOOFDM, GB là độ lợi về băng thông, và các ký hiệu còn lại được định
nghĩa như trên.

3.3.2 Hệ thống ACO-OFDM qua kênh truyền phản xạ khuếch tán
Tương tự hệ thống DCO-OFDM, tín hiệu ACO-OFDM chỉ hoạt động
trong vùng giới hạn tuyến tính của LED. Tỉ lệ lỗi bit được xác định bởi:
2

BERACO 

G


0

e



 BERAWGN  










 2ACO ( K  1)
r



GDC Es 2
 ACO  G ACO
2 N0



K 

GDC Es 2

ACO
 ACO G 
r

2 N0


 K 1







1
2



e



Trang 11

2



2

 K  K 1
cos u 
GDC Es 2

(  ACO G ACO )
r

2 N0

 dud ,




với

G

 ACO

ACO

là hệ số tương quan chuẩn hóa của hệ thống ACO-OFDM,

quan hệ giữa công suất tín hiệu và công suất nhiễu của ACO-

OFDM.
3.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
3.4.1 Tỉ lệ lỗi bit hệ thống DCO-OFDM
Hình 3.1 trình bày kết quả mô phỏng hệ thống DCO-OFDM qua
kênh truyền phản xạ sử dụng thuật toán dò tia sáng. Hình 3.2 trình bày kết
quả mô phỏng hệ thống ACO-OFDM qua kênh truyền phản xạ sử dụng
thuật toán dò tia sáng. Kết quả mô phỏng phù hợp hoàn toàn với các hệ số
xén khác nhau.

Hình 3.1. BER của hệ thống DCO-OFDM qua kênh truyền phản xạ

Trang 12


Hình 3.2. BER của hệ thống ACO-OFDM qua kênh truyền phản xạ
3.5

KẾT LUẬN
Chương này đã áp dụng chương hai để phân tích cho hệ thống quang

không dây trong việc xây dựng công thức xác định tỉ lệ lỗi bit của hệ thống
ACO-OFDM và DCO-OFDM qua kênh phản xạ khuếch tán. Kết quả mô
phỏng phù hợp hoàn toàn với các công thức tại các hệ số xén và hệ số K .
Các công thức này giúp xác định chính xác chất lượng của hệ thống DCOOFDM và ACO-OFDM. Tỉ lệ lỗi bit sẽ tăng đáng kể khi chọn hệ số xén
không chính xác hoặc khi di chuyển đầu thu ra xa đầu phát. Phương trình
xác định BER được xây dựng dựa trên hàm mật độ công suất của tín hiệu bị
xén qua kênh truyền không dây. Công thức xác định tỉ lệ lỗi bit cần tính
tích phân 3 lớp nhưng điều này có thể được thực hiện dễ dàng với dự hỗ trợ
của các phần mềm hiện nay.

Trang 13


CHƯƠNG 4
4.1

KỸ

THUẬT MIMO-OFDM TRONG
THÔNG KHÔNG DÂY QUANG
GIỚI THIỆU

TRUYỀN

Kỹ thuật MIMO đã được ứng dụng phổ biến trong mạng cục bộ
không dây, mạng không dây thế hệ thứ 4, và đang hướng đến ứng dụng cho
các mạng thế hệ mới [1, 77]. Các kỹ thuật tách sóng sẽ cho chất lượng khác
nhau trong hệ thống MIMO. Hai kỹ thuật tách sóng được sử dụng phổ biến
nhất trong các hệ thống MIMO là thuật toán ép không (ZF) và sai số bình
phương trung bình cực tiểu (MMSE) đã được phân tích bởi [49]. Giống
như truyền thông không dây, kỹ thuật MIMO có thể kết hợp với OFDM
cho truyền thông không dây quang. Kỹ thuật MIMO cho hệ thống truyền
thông không dây quang với các cấu trúc truyền khác nhau như mã lập, ghép
kênh không gian và điều biến không gian đã được nghiên cứu bởi [29]. Kỹ
thuật MIMO có thể kết hợp với DCO-OFDM hoặc ACO-OFDM tạo thành
hệ thống MIMO-DCO OFDM hoặc MIMO-ACO OFDM. Chất lượng của
hệ thống MIMO-ACO OFDM được trình bày bởi [28] nhưng chưa xem xét
đến giới hạn phát của LED. Tương tự như hệ thống DCO-OFDM và ACOOFDM, các tín hiệu MIMO-OFDM trong thực tế sẽ chịu ảnh hưởng của
xén tín hiệu do vùng hoạt động của LED bị giới hạn. Khi đó, chất lượng hệ
thống sẽ suy giảm. Chương này sẽ mở rộng nghiên cứu ảnh hưởng của xén

ở chương trước cho hệ thống MIMO-OFDM. Điểm đóng góp chính là xây
dựng các phương trình tường minh xác định tỉ lệ lỗi bit của hệ thống
MIMO-DCO OFDM và MIMO-ACO OFDM dưới ảnh hưởng của xén khi
sử dụng ZF và MMSE.

Trang 14


KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG
DÂY QUANG
4.3 PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG MIMO-OFDM KHÔNG
DÂY QUANG
4.3.1 Hệ thống MIMO-OFDM không dây quang sử dụng thuật toán
ZF
4.2

Khi thay vào hệ thống MIMO-OFDM, tỉ số tín hiệu trên nhiễu và méo dạng
tương ứng luồng thu thứ n j của DCO-OFDM và ACO-OFDM sẽ là:
MIMO  DCO
ZF

SNDR

=

2
 DCO
SNRDCO

1

GB  H H H  

n
G DCO SNRDCO 
GDC
2
 ACO SNRACO

1
2  H H H  

n
GcACO SNRACO 
GDC

(4.1)

i

MIMO  ACO
SNDRZF

,

(4.2)

i

với H là ma trận kênh truyền MIMO không dây quang.
4.3.2 Hệ thống MIMO-OFDM sử dụng thuật toán MMSE

Khi thay vào hệ thống MIMO-OFDM, tỉ số tín hiệu trên nhiễu và méo dạng
tương ứng luồng thu thứ n j của DCO-OFDM và ACO-OFDM sẽ là:
MIMO  DCO
SNDRMMSE


1

2
 DCO
SNRDCO I NTx

 ACO
H
 Gc SNRDCO I NTx  H H




MIMO  ACO
SNDRMMSE




1


 I NTx 




1





nj

1

2
 ACO
SNRACO I NTx

 ACO
H
 Gc SNRACO I NTx  2 H H




với I là ma trận đơn vị.
Trang 15



1

 I NTx






1





nj

 1 (4.3)

 1, (4.4)


4.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
4.4.1 Chất lượng hệ thống MIMO-OFDM không dây quang sử dụng
thuật toán ZF
Tỉ lệ lỗi bit của hệ thống MIMO-DCO OFDM khi sử dụng thuật toán
cân bằng ZF kết hợp với QPSK như Hình 4.1. Kết quả mô phỏng cho thấy
tỉ lệ lỗi bit mô phỏng tương thích tốt với các phương trình xác định BER tại
các vị trí thu khác nhau.

Hình 4.1. Tỉ lệ lỗi bit của hệ thống MIMO-DCO OFDM sử dụng QPSK và
cân bằng ZF

4.4.2 Chất lượng hệ thống MIMO-OFDM sử dụng thuật toán MMSE
Tỉ lệ lỗi bit của hệ thống MIMO-ACO OFDM khi sử dụng thuật toán
cân bằng MMSE kết hợp với QPSK như Hình 4.2. Kết quả mô phỏng
tương thích tốt với các phương trình xác định BER cho hệ thống MIMOACO-OFDM sử dụng thuật toán MMSE.

Trang 16


Hình 4.2. Tỉ lệ lỗi bit của hệ thống MIMO-DCO OFDM sử dụng QPSK với
cân bằng ZF và MMSE
4.5 KẾT LUẬN
Chương này đã trình bày kỹ thuật MIMO kết hợp với DCO-OFDM,
ACO-OFDM. Mô hình kênh truyền cho hệ thống MIMO đã được xem xét
và sử dụng phương pháp tính toán nhanh. Bằng cách sử dụng các kết quả
tính toán về ảnh hưởng của xén tín hiệu ở chương trước, chương này đã xác
định công thức xác định tỉ lệ lỗi bit dạng tường minh của hai hệ thống trên
khi chịu ảnh hưởng của xén tín hiệu. Kết quả mô phỏng phù hợp hoàn toàn
với các công thức cho cả hệ thống MIMO-DCO OFDM và MIMO-ACO
OFDM với thuật toán cân bằng ZF và MMSE.

Trang 17


CHƯƠNG 5
5.1

KỸ THUẬT MIMO WAVELET OFDM TRONG
TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY
GIỚI THIỆU
Hiện nay, một số nghiên cứu đề xuất sử dụng biến đổi wavelet thay

cho biến đổi Fourier truyền thống trong hệ thống OFDM. Biến đổi wavelet
có thể truyền các luồng dữ liệu song song trên các sóng mang con trực giao.
Hệ thống wavelet OFDM sẽ cải thiện tỉ số PAPR và hạn chế sử dụng tiền tố
vòng (CP) [82]. Khác với biến đổi Fourier sử dụng hàm e mũ để khai triển,
biến đổi wavelet có nhiều họ hàm khác nhau. Mỗi họ hàm biến đổi wavelet
cho tính chất khác nhau. Mỗi hàm wavelet sẽ cho chất lượng khác nhau.
Khi chọn họ hàm thích hợp, kỹ thuật wavelet OFDM sẽ cho chất lượng tốt
hơn kỹ thuật OFDM thông thường [83]. Kỹ thuật này có thể phối hợp với
MIMO để tạo nên hệ thống MIMO-wavelet OFDM [84]. Việc tính toán
biến đổi wavelet rời rạc (DWT) và biến đổi wavelet rời rạc đảo (IDWT)
yêu cầu nhiều bộ cộng và bộ nhân. Vì vậy, các cấu trúc hiệu quả trong việc
tạo ra và phát hiện tín hiệu trực giao trong hệ thống wavelet OFDM cần
được xem xét. Một số thuật toán đã được đề nghị như kỹ thuật lifting [85]
và tối ưu việc thiết kế lọc [86]. Hệ thống wavelet OFDM sử dụng hàm Haar
đã được đề xuất để cải thiện tỉ lệ lỗi bit trong các hệ thống truyền thông có
tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) thấp [87] [88]. Trước hết, chương này sẽ
khảo sát mô hình và đánh giá hệ thống wavelet OFDM và MIMO-wavelet
OFDM sử dụng một số họ wavelet khác nhau. Sau đó, chương này sẽ đề
xuất một thuật toán giảm độ phức tạp khi tính toán biến đổi wavelet thuận
và ngược cho hệ thống wavelet OFDM sử dụng hàm Haar. Ý tưởng giảm
độ phức tạp là sắp xếp và tính toán đa tầng việc biến đổi IDWT và DWT.

Trang 18


KỸ THUẬT MIMO-WAVELET OFDM TRONG TRUYỀN
THÔNG KHÔNG DÂY QUANG
5.2.1 Kỹ thuật wavelet OFDM
5.2.2 Kỹ thuật MIMO-wavelet OFDM cho truyền thông không dây

quang
5.2

Dữ liệu truyền được mã hóa thành NT khung dữ liệu và thực hiện
ánh xạ chòm sao. Nếu sử dụng BPSK, dữ liệu sau ánh xạ chòm sao là thực
nên sau khi biến đổi Wavelet ngược (IDWT) sẽ là tín hiệu thực và có thể
phát trực tiếp ra LED sau khi thêm điện thế nền DC. Còn trong trường hợp
sử dụng phép ánh xạ chòm sao phức tạp hơn (M-PSK, M-QAM), sau khi
biến đổi Wavelet ngược (IDWT), tín hiệu sẽ ở dạng phức nên phần đồng
pha (I) và phần vuông pha (Q) phải được truyền riêng biệt trên từng LED
hoặc các khe thời gian khác nhau. Một phương pháp khác là sử dụng RGBLED để truyền đồng thời hai luồng đồng pha và vuông pha [83].
5.3 GIẢM ĐỘ PHỨC TẠP CHO HỆ THỐNG WAVELET OFDM SỬ
DỤNG HÀM HAAR
Trường hợp tổng quát, nếu hệ thống có N sóng mang, mỗi mẫu sẽ
cần N / 2 phép nhân và ( N / 2  1) phép cộng. Tổng cộng hệ thống sẽ cần

N 2 / 2 phép nhân và ( N 2 / 2  N ) phép cộng. Để giảm độ phức tạp, hệ
thống sẽ thực hiện gồm bốn bước để tận dụng các kết quả tính toán trước
cho phép tính sau.
5.4 KẾT QUẢ
5.4.1 Hệ thống MIMO-wavelet OFDM cho truyền thông không dây
quang
Hình 5.1 là tỉ lệ lỗi bit của hệ thống MIMO-wavelet OFDM
Daubechies 2 và thuật toán ZF. Chất lượng hệ thống MIMO-wavelet
OFDM Daubechies 2 tốt hơn hệ thống MIMO-OFDM truyền thống.

Trang 19


Hình 5.1. Chất lượng của hệ thống MIMO-wavelet OFDM sử dụng hàm

Daubechies 2 và thuật toán ZF.
5.4.2 Độ phức tạp của IFFT/FFT và IDWT/DWT
Độ phức tạp của IFFT /FFT và IDWT/DWT cho đầu phát hoặc đầu thu của
hệ thống OFDM có N sóng mang sử dụng hàm Haar được trình bày ở
Bảng 5.1. Kết quả cho thấy thuật toán đề xuất đã giảm từ N 2 / 2 xuống còn

N phép nhân.

Bảng 5.1. Độ phức tạp của IDWT/DWT
FFT/IFFT cơ số 2

IDWT/DWT
trực tiếp
N2 / 2
N ( N / 2 1)

Phép nhân
( N / 2)log 2 ( N )
Phép cộng
N log 2 ( N )
Phép trừ
5.5 KẾT LUẬN

IDWT/DWT đề
xuất
N

2log2 ( N /2)
2log2 ( N /2)

1

1

1
1

Chất lượng của hệ thống MIMO-wavelet OFDM sử dụng hàm
Daubechies 2 cho chất lượng tốt hơn MIMO-OFDM. Cuối cùng, chương
này đã đề xuất một cấu trúc tính IDWT và DWT sử dụng hàm Haar với độ
phức tạp thấp sử dụng N sóng mang.
Trang 20


CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN
Thứ nhất, luận án đã xây dựng phương trình xác định tỉ lệ lỗi bit của
tín hiệu OFDM bị xén qua kênh truyền không dây có phân bố Rayleigh và
Rician. Phương trình BER được xây dựng dựa trên phân tích hàm mật độ
phổ xác suất của kênh truyền bị ảnh hưởng của xén. Các phương trình xác
định BER phù hợp hoàn toàn với mô phỏng bằng phương pháp Monte
Carlo tại các hệ số xén khác nhau. Kết quả cho thấy việc xén tín hiệu với hệ
số xén nhỏ hơn 1 ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng hệ thống. Khi hệ
số xén là 1, chất lượng của hệ thống bị suy giảm khoảng 3 dB. Phương
trình tính BER đối với kênh truyền Rayleigh chỉ cần tính tích phân hai lớp
trong khi phương trình tính BER cho kênh truyền Rician cần tính tích phân
3 lớp. Tuy nhiên, việc tính toán này dễ dàng thực hiện bằng các phần mềm.
Thứ ba, luận án đã đề xuất kỹ thuật tự đồng bộ tín hiệu M-PAM đơn
cực trong hệ thống quang vô tuyến sử dụng OFDM. Kết quả phân tích cho
thấy hệ thống có thể hoàn toàn đồng bộ khi đầu thu lấy mẫu sớm. Hệ thống
có thể sử dụng kỹ thuật cân bằng để khắc phục hiện tượng xoay pha do xác

định không chính xác khoảng tiền tố vòng. Tuy vậy, các thuật toán ước
lượng kênh có sự sai số giữa đáp ứng kênh ước lượng và đáp ứng thực tế
nên chất lượng hệ thống kém hơn so với hệ thống tự đồng bộ.
Thứ ba, luận án xây dựng các phương trình xác định tỉ lệ lỗi bit của
hệ thống DCO-OFDM và ACO-OFDM bằng phương pháp số qua kênh
truyền phản xạ khuếch tán. Các phương trình BER được xây dựng dựa trên
phương pháp phân tích hàm mật xác suất dưới ảnh hưởng của xén để đảm
bảo vùng tuyến tính của LED. Các phương trình xác định BER phù hợp
hoàn toàn với mô phỏng hệ thống bằng phương pháp Monte Carlo tại các
hệ số xén khác nhau với các chỉ số K khác nhau. Khi chọn được giá trị
xén tối ưu, việc xén tín hiệu không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng hệ
thống. Trong khi đó, nếu đầu thu di chuyển ra xa đầu phát, hệ số

K sẽ giảm

nhanh chóng. Lúc này chất lượng hệ thống sẽ giảm rõ rệt. So sánh chất

Trang 21


lượng hệ thống DCO-OFDM và ACO-OFDM thì hệ thống ACO-OFDM sử
dụng hiệu quả công suất hơn.
Thứ tư, luận án đã xây dựng công thức xác định tỉ lệ lỗi bit của hệ
thống MIMO-DCO OFDM và MIMO-ACO OFDM khi sử dụng kỹ thuật
cân bằng ép không (ZF) và sai số bình phương trung bình cực tiểu
(MMSE). Các công thức ở đây có xem xét đến giới hạn của LED phát. Tỉ lệ
lỗi bit của hệ thống MIMO-DCO OFDM và MIMO-ACO OFDM sử dụng
ZF và MMSE được xác định bằng công thức công thức tường minh. Kết
quả mô phỏng hoàn toàn phù hợp với các công thức trên.
Thứ năm, luận án đã nghiên cứu kỹ thuật MIMO-wavelet OFDM cho

truyền thông không dây quang với đường truyền LOS. Bằng phương pháp
mô phỏng Monte Carlo, kỹ thuật MIMO-wavelet OFDM sử dụng hàm
Daubechies 2 sẽ cho chất lượng tốt hơn hệ thống MIMO-OFDM.
Cuối cùng, luận án đã khảo sát kỹ thuật wavelet OFDM, trong đó
quan tâm đến ảnh hưởng của méo dạng do xén. Bằng phương pháp mô
phỏng Monte Carlo, chất lượng của hệ thống wavelet OFDM sử dụng hàm
Daubechies 5 ít bị ảnh hưởng của méo dạng do xén so với tín hiệu OFDM
sử dụng Fourier. Trong phần này, luận án đã đề xuất một cấu trúc tính
IDWT và DWT sử dụng hàm Haar với độ phức tạp thấp cho trường hợp
tổng quát N sóng mang. Trong hệ thống sử dụng IDWT/DWT 8 điểm, cấu
trúc này chỉ yêu cầu 16 phép nhân, 14 phép công và 14 phép trừ.

Trang 22


DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
Tác giả có 13 công trình liên quan trực tiếp đến luận án:
Sách chuyên khảo (1 chương):
[1]. Dang Le Khoa, Huynh Quoc Anh, Nguyen Huu Phuong, and
Hiroshi Ochi, "Bit Error Rate Performance of Clipped OFDM
Signals Over Fading Channel," in AETA 2015: Recent Advances in
Electrical Engineering and Related Sciences, Lecture Notes in
Electrical Engineering 371, Springer International Publishing,
2016, pp. 111-119 (scopus).
Bài báo quốc tế (1 bài):
[1]. Dang Le Khoa, Nguyen Thi Hong Thu, Nguyen Thanh Tu,
Nguyen Huu Phuong, and Hiroshi Ochi, "A Low Complexity
Wavelet OFDM Based on FPGA for Optical Communication
Systems," Journal of Network and Innovative Computing, vol. 2,
pp. 251-258, 2014.

Bài báo trong nước (5 bài):

[1]. Đặng Lê Khoa, Nguyễn Trường An, Bùi Hữu Phú, Nguyễn Hữu
Phương , “Thực hiện hệ thống OFDM trên phần cứng”, Tạp chí
Phát triển khoa học & công nghệ ĐHQG TPHCM, vol. 12, pp. 7385, 2009.

[2]. Đặng Lê Khoa, Vũ Thanh Tùng, Nguyễn Thanh Tú, và Nguyễn
Hữu Phương, "Hệ thống MIMO-OFDM quang vô tuyến trong
nhà," Tạp chí Phát triển khoa học & công nghệ ĐHQG TPHCM,
tập. 17, tr. 5-16, 2014.

[3]. Đặng Lê Khoa, Nguyễn Hữu Phương, và Hiroshi Ochi, "Kỹ thuật
tự đồng bộ tín hiệu MPAM đơn cực trong OFDM và ứng dụng cho
hệ thống quang vô tuyến," Tạp chí Phát triển khoa học & công
nghệ ĐHQG TPHCM, tập 18, tr. 218-224, 2015.

Trang 23