Giải pháp ước lượng thích nghi kết hợp bộ cân bằng miền thời gian trong hệ thống ofdm theo tiêu chuẩn wimax di động
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.03 MB, 88 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------
PHẠM PHÚ MỸ
GIẢI PHÁP ƯỚC LƯỢNG THÍCH NGHI KẾT HỢP BỘ
CÂN BẰNG MIỀN THỜI GIAN TRONG HỆ THỐNG
OFDM THEO TIÊU CHUẨN WIMAX DI ĐỘNG
Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 605270
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2012
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Phạm Hồng Liên .................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Chế Viết Nhật Anh...........................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Trương Công Dung Nghi .................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM
ngày 26 tháng 12 năm 2012
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. TS. Nguyễn Minh Hoàng
2. PGS.TS. Phạm Hồng Liên
3. TS. Chế Viết Nhật Anh
4. TS. Trương Công Dung Nghi
5. TS. Phạm Quang Thái
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
Bộ môn quản lý chuyên ngành
Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
------------------
------------------------
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: PHẠM PHÚ MỸ
Phái: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 15/08/1986
Nơi sinh: Lâm Đồng
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MSHV: 11140032
I-TÊN ĐỀ TÀI: GIẢI PHÁP ƯỚC LƯỢNG THÍCH NGHI KẾT HỢP BỘ CÂN
BẰNG MIỀN THỜI GIAN TRONG HỆ THỐNG OFDM THEO
TIÊU CHUẨN WIMAX DI ĐỘNG.
II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Do hạn chế về mặt thời gian, luận văn chỉ tập trung
vào phần ước lượng thích nghi:
Tìm hiểu kỹ thuật điều chế OFDM, hệ thống ước lượng kênh truyền cho
Wimax di động.
Tìm hiểu và áp dụng giải thuật Unscented Kalman Filter vào ước lượng kênh
truyền trong hệ thống Wimax di động, đánh giá độ chính xác so với giải thuật
Kalman Filter và Extended Kalman Filter.
Viết chương trình mô phỏng bằng ngôn ngữ Matlab.
III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/07/2011
IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2012
V-CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN
ThS. NGUYỄN ĐỨC QUANG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)
TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và chữ ký)
Lời Cám Ơn
Đầu tiên tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến cô Phạm Hồng Liên, người đã tận tình
giúp đỡ, hướng dẫn, định hướng nghiên cứu để tơi có thể hồn thành luận văn. Đồng
thời tơi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến anh Nguyễn Đức Quang vì những lời
chỉ bảo, đóng góp ý kiến, hỗ trợ tài liệu, trao đổi trong suốt q trình tơi thực hiện
luận văn này.
Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến các thầy cô trường đại học Bách Khoa thành
phố Hồ Chí Minh, những người đã tận tình hướng dẫn, truyền dạy cho tôi những kiến
thức trong suốt những năm đại học, giúp tơi có những kiến thức đáng q và bổ ích
trong q trình thực hiện luận văn cũng như trong suốt chặng đường sự nghiệp sau
này.
Cuối cùng tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã luôn bên
cạnh động viên, chia sẻ, tạo động lực cho tơi hồn thành luận văn này.
Tơi xin gửi đến gia đình, thầy cơ, bạn bè, người thân lời kính chúc sức khỏe hạnh
phúc và thành cơng.
Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 11 năm 2012
Phạm Phú Mỹ
ABSTRACT
Mobile WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) system has been
recently applied widely in wireless communication systems. WiMAX uses OFDM as
a technical platform because of highspectral efficiency. In this thesis, the channel
estimation algorithms are studied for mobile WiMAX system. The comb-pilot
structure is used for channel estimation algorithms. We constructed an algorithm of
channel estimation based on adaptive filter: Unscented Kalman, then compared with
Kalman and Extended Kalman Filter. The results showed that Estimator based on
Unscented Kalman Filter is better than Kalman and Extended Kalman Filter in slow
fading condition and limited quality in fast fading condition.
Keywords: Kalman filter, adaptive filter, estimation channel, mobile WiMAX.
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật kèm theo đó là nhu cầu
thơng tin liên lạc ngày càng cao, do đó địi hỏi hệ thống thơng tin đặc biệt là về viễn
thơng ngày càng phát triển nhanh chóng, chính xác. Nhiều kỹ thuật, công nghệ mới
đã ra đời nhằm đáp ứng những nhu cầu đó. Hệ thống WiMAX ra đời cũng không phải
là một ngoại lệ.
WiMAX (World Interoperability for Microwave Access) là hệ thống truy nhập
viba có tính tương tác tồn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16-2004.
Là một cơng nghệ vơ tuyến tiên tiến, WiMAX có những đặc điểm vượt trội như khả
năng truyền dẫn tốc độ cao, cung cấp khả năng kết nối Internet không dây nhanh hơn
so với WiFi, tốc độ uplink và downlink cao hơn, sử dụng được nhiều ứng dụng hơn,
và quan trọng là vùng phủ sóng rộng hơn, và khơng bị ảnh hưởng bởi địa hình....Với
những thế mạnh như trên, WiMAX ngày càng được sử dụng rộng rãi. Do đó, việc
nghiên cứu tìm hiểu các phương pháp khác nhau nhằm cải tiến chất lượng của
WiMAX là một vấn đề hết sức cần thiết và có ý nghĩa.
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, tơi sẽ tìm hiểu phương pháp ước lượng
thích nghi sử dụng giải thuật Unscented Kalman trong hệ thống OFDM theo tiêu
chuẩn WiMAX nhằm cải thiện một số chỉ tiêu chất lượng so với 2 phương pháp trước
đó là Kalman và Kalman mở rộng.
Nội dung đề tài gồm các chương sau:
Chương 1: Giới thiệu
Giới thiệu về hệ thống WiMAX và mục tiêu của đề tài.
Chương 2 :Kỹ thuật điều chế OFDM
Trong chương này sẽ giới thiệu sơ lược về các kỹ thuật trong OFDM,ưu nhược
điểm của hệ thống khi sử dụng kỹ thuật này. Đồng thời, chương này cũng giới thiệu
các đặc tính kênh truyền bao gồm: các hiệu ứng ảnh hưởng kênh truyền, các mơ hình
thống kê trong kênh truyền Fading.
Chương 3: Hệ thống ước lượng kênh truyền cho Wimax di động
Trình bày tầm quan trọng của việc sử dụng hệ thống ước lượng, giới thiệu các
phương pháp chèn Pilot, các phương pháp ước lượng sử dụng cho Pilot dạng lược và
các phương pháp nội suy.
Chương 4: Ứng dụng bộ lọc Unscented Kalman vào ước lượng kênh truyền trong
hệ thống WiMAX di động
Chương này sẽ giới thiệu 2 bộ lọc đã được sử dụng trước đây là Kalman Filter
(KF) và Extended Kalman Filter (EKF). Từ đó tập trung xây dựng một thuật tốn ước
lượng mới Unscented Kalman Filter (UKF) cho loại pilot dạng lược, đánh giá độ
chính xác của giải thuật.
Chương 5 : Mơ phỏng thuật toán ước lượng Unscented Kalman cho hệ thống
WiMAX di động
Thực hiện mô phỏng, so sánh kết quả thu được của thuật toán Unscented Kalman
Filter với hai thuật toán trước đó trong họ Kalman là Kalman Filter (KF) và Extended
Kalman Filter (EKF) dưới các kiểu điều chế khác nhau và các mơ hình kênh truyền
theo tiêu chuẩn Mobile WiMAX. Từ đó, có thể thấy rõ ưu điểm của phương pháp ước
lượng sử dụng Unscented Kalman Filter so với hai phương pháp KF và EKF trong
một số mơ hình.
Chương 6 : Kết luận và hướng phát triển của luận văn
Trình bày các kết quả đạt được trong thời gian nghiên cứu đề tài này, nêu lên hướng
phát triển đề tài trong tương lai.
MỤC LỤC
Chương 1: Giới thiệu .......................................................................................................... 1
Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM ................................................................................. 2
2.1.Giới thiệu chương .................................................................................................................... 2
2.2.Kĩ thuật OFDM ...................................................................................................................... 2
2.2.1.Giới thiệu về kỹ thuật OFDM ............................................................................................ 2
2.2.1.1.Lịch sử phát triển........................................................................................................ 2
2.2.1.2.Khái niệm................................................................................................................... 3
2.2.1.3
. Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM............................................................ 3
2.2.2.Nguyên lý điều chế OFDM ............................................................................................... 4
2.2.2.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM ..................................................................................... 4
2.2.2.2. Tính trực giao ............................................................................................................ 9
2.2.3.Mơ tả tốn học - ứng dụng IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM............................................. 13
2.2.4.Khoảng bảo vệ (guard interval) trong kỹ thuật OFDM ..................................................... 15
2.2.4.1.Khoảng bảo vệ ......................................................................................................... 15
2.2.4.2.Ứng dụng của khoảng bảo vệ .................................................................................... 15
2.2.5.Kĩ thuật điều chế tín hiệu trong OFDM............................................................................ 16
2.2.5.1.Điều chế BPSK ........................................................................................................ 17
2.2.5.2.Điều chế QPSK ........................................................................................................ 18
2.2.5.3.Điều chế QAM ......................................................................................................... 21
2.3.Đặc tính kênh truyền vơ tuyến trong kỹ thuật OFDM ............................................................. 22
2.3.1.Đặc tính kênh truyền ....................................................................................................... 22
2.3.2.Các hiệu ứng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền ....................................................... 23
2.3.2.1.Hiện tượng đa đường ................................................................................................ 23
2.3.2.2 Hiện tượng Doppler .................................................................................................. 23
2.3.2.3. Suy hao trên đường truyền ....................................................................................... 24
2.3.2.4.Hiệu ứng bóng râm ................................................................................................... 24
2.3.2.5. Nhiễu trắng Gauss ................................................................................................... 24
2.3.3.Các mơ hình thống kê trong kênh truyền Fading .............................................................. 24
2.3.3.1 Fading Rayleigh ....................................................................................................... 24
2.3.3.2 Phân bố Rice : .......................................................................................................... 25
2.4.Kết luận chương .................................................................................................................... 26
Chương 3: Hệ thống ước lượng kênh truyền cho WiMAX di động ................................ 27
3.1.Giới thiệu chương .................................................................................................................. 27
3.2.Hệ thống ước lượng kênh truyền ............................................................................................ 27
3.2.1.Sơ đồ hệ thống ước lượng kênh truyền ............................................................................ 27
3.2.2.Cấu trúc Pilot được chèn vào dữ liệu ............................................................................... 29
3.2.2.1 Block type pilot ........................................................................................................ 30
3.2.2.2 Comb type pilot ....................................................................................................... 30
3.2.3.Kỹ thuật nội suy trong ước lượng kênh truyền sử dụng chuỗi huấn luyện dạng lược ( comb
pilot) ........................................................................................................................................ 31
3.2.3.1 Nội suy nearest neighbor .......................................................................................... 32
3.2.3.2 Nơi suy tuyến tính (linear interpolation) .................................................................... 32
3.2.3.3 Nội suy bậc 2 (second order) .................................................................................... 32
3.2.3.4 Nội suy lowpass ....................................................................................................... 32
3.2.3.5 Nội suy spline cubic ................................................................................................. 33
3.3 Mơ hình kênh truyền ITU sử dụng cho WiMAX di động ........................................................ 33
3.4 .Kết luận chương.................................................................................................................... 35
Chương 4: Ứng dụng bộ lọc Unscented Kalman Filter vào ước lượng kênh truyền trong
hệ thống WiMAX di động ................................................................................................. 36
4.1. Giới thiệu chương ................................................................................................................. 36
4.2 Kalman Filter ......................................................................................................................... 36
4.2.1 Giới thiệu về Kalman Filter ............................................................................................. 36
4.2.2 Tổng quan về bộ lọc Kalman ........................................................................................... 37
4.2.2.1 Xây dựng thuật toán cho bộ lọc Kalman ................................................................... 37
4.2.3 Ứng dụng bộ lọc Kalman vào hệ thống ước lượng kênh truyền ........................................ 41
4.3 Extended Kalman Filter ......................................................................................................... 43
4.3.1 Giới thiệu về Extended Kalman Filter .............................................................................. 43
4.3.2 Tổng quan về Extended Kalman Filter ............................................................................. 43
4.3.2.1 Xây dựng thuật tốn cho bộ lọc Kalman mở rộng...................................................... 43
4.3.2.2 Tóm tắt bài toán bộ lọc Kalman mở rộng .................................................................. 45
4.3.3 Ứng dụng Kalman mở rộng vào hệ thống ước lượng kênh truyền..................................... 46
4.4 Unscented Kalman Filter ........................................................................................................ 47
4.4.1 Giới thiệu Unscented Kalman Filter ................................................................................ 47
4.4.2 Tổng quan về Unscented Kalman Filter ........................................................................... 48
4.4.2.1 Unscented Transformation ........................................................................................ 48
4.4.2.2 .Giải thuật Unscented Kalman Filter ......................................................................... 52
4.4.2.3.Đánh giá độ chính xác của giải thuật UKF ................................................................ 53
4.4.3.Ứng dụng giải thuật UKF vào hệ thống ước lượng kênh truyền .................................... 56
4.5 Kết luận chương .................................................................................................................... 59
Chương 5 : Mơ phỏng thuật tốn ước lượng Unscented Kalman cho hệ thống WiMAX
di động ............................................................................................................................... 60
5.1 Mô phỏng 1: .......................................................................................................................... 60
5.2 Mô phỏng 2: .......................................................................................................................... 66
5.3 Mô phỏng 3: .......................................................................................................................... 68
5.4 Kết luận chương .................................................................................................................... 73
Chương 6 : Kết luận và hướng phát triển của luận văn .................................................. 74
6.1 Kết luận ................................................................................................................................. 74
6.2 Hướng phát triển .................................................................................................................... 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................. 75
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1 So sánh kĩ thuật sóng mang khơng chồng xung (a) và kĩ thuật sóng mang chồng xung (b).... 5
Hình 2.2 :Sơ đồ hệ thống OFDM ....................................................................................................... 6
Hình 2.3 Hệ thống OFDM cơ bản ...................................................................................................... 7
Hình 2.4: Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM ................................................................................. 7
Hình 2.5 : Phổ của sóng mang con ..................................................................................................... 8
Hình 2.6 Truyền dẫn sóng mang đơn ................................................................................................. 8
Hình 2.7 Truyền dẫn đa sóng mang.................................................................................................... 9
Hình 2.8 Tích của 2 vec tơ trực giao bằng 0 ..................................................................................... 10
Hình 2.9: Giá trị của sóng sin bằng 0 ............................................................................................... 10
Hình 2.10: Tích phân của hai sóng sin có tần số khác nhau. ............................................................. 11
Hình 2.11: Tích hai sóng sin cùng tần số. ......................................................................................... 12
Hình 2.12 Phổ của tín hiệu OFDM gồm 5 sóng mang ...................................................................... 13
Hình 2.13. Chèn thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM ............................................................... 15
Hình 2.14 Hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI ....................................................................... 16
Hình 2.15 : Biểu đồ khơng gian tín hiệu BPSK ................................................................................ 18
Hình 2.16 : Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK...................................................................................... 21
Hình 2.17: Chùm tín hiệu M-QAM .................................................................................................. 22
Hình 2.18: Mơ hình kênh truyền fading đa đường ............................................................................ 23
Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống ước lượng kênh truyền ............................................................................. 27
Hình 3.2 : Sắp xếp pilot dạng khối ................................................................................................... 30
Hình 3.3 : Sắp xếp pilot dạng lược ................................................................................................... 30
Hình 4.1 : Mơ hình hóa bộ lọc Kalman ............................................................................................ 38
Hình 4.2 : Sơ đồ hệ thống Kalman ................................................................................................... 38
Hình 4.3 Sơ đồ khối Kalman dựa vào dự báo một bước ................................................................... 39
Hình 4.4 Mơ hình ước lượng Kalman cho đáp ứng xung kênh truyền ............................................... 41
Hình 4.5 Sơ đồ bộ dự đốn một bước của bộ lọc Kalman mở rộng ................................................... 44
Hình 4.5 Phân bố các điểm sigma-point có trọng số đối với biến ngẫu nhiên phân bố Gauss có kích
thước 2 chiều ................................................................................................................................... 49
Hình 4.6 Sơ đồ của Unscented Transformation ................................................................................ 49
Hình 4.7 Tính chính xác của phương pháp UT trong việc tính giá trị trung bình và phương sai......... 50
Hình 4.8 Thể hiện tính chính xác của phương pháp UKF so với EKF ............................................... 51
Hình 5.1: Đồ thị BER ước lượng UKF cho kênh truyền indoor 1km/h ............................................. 61
Hình 5.2: Đồ thị BER ước lượng UKF cho kênh truyền Pedestrian 5km/h ....................................... 62
Hình 5.3: Đồ thị BER ước lượng UKF cho kênh truyền vehicular 10km/h........................................ 63
Hình 5.4: Đồ thị BER ước lượng UKF cho kênh truyền vehicular 15km/h........................................ 64
Hình 5.5: Đồ thị BER ước lượng UKF cho kênh truyền vehicular 20km/h........................................ 65
Hình 5.6: Đồ thị BER ước lượng UKF theo vận tốc ở 15dB ............................................................. 66
Hình 5.7: Đồ thị BER ước lượng UKF theo vận tốc ở 20dB ............................................................. 67
Hình 5.8: Đồ thị BER ước lượng UKF cho kênh truyền vehicular 30km/h........................................ 68
Hình 5.9: Đồ thị BER ước lượng UKF cho kênh truyền vehicular 60km/h........................................ 69
Hình 5.10: Đồ thị BER ước lượng UKF cho kênh truyền vehicular 100km/h .................................... 70
Hình 5.11: Đồ thị BER ước lượng UKF theo vận tốc ở 15dB ........................................................... 71
Hình 5.12: Đồ thị BER ước lượng UKF theo vận tốc ở 20dB ........................................................... 72
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 :Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế.............................. 20
Bảng 3.1: Mơ hình kênh truyền indoor ............................................................................................. 34
Bảng 3.2: Mơ hình kênh truyền pedestrian ....................................................................................... 34
Bảng 3.3 Mơ hình kênh truyền vehicular ......................................................................................... 35
Bảng 5.1:Thơng số mơ phỏng thuật toán Unscented Kalman Filter................................................... 60
Bảng 5.2: Dữ liệu BER ước lượng UKF cho kênh truyền indoor 1km/h ........................................... 61
Bảng 5.3: Dữ liệu BER ước lượng UKF cho kênh truyền Pedestrian 5km/h ..................................... 62
Bảng 5.4 Dữ liệu BER ước lượng UKF trên kênh truyền vehicular vận tốc 10km/h .......................... 63
Bảng 5.5 Dữ liệu BER ước lượng UKF trên kênh truyền vehicular vận tốc 15km/h .......................... 64
Bảng 5.6 Dữ liệu BER ước lượng UKF trên kênh truyền vehicular vận tốc 20km/h .......................... 65
Bảng 5.7 Dữ liệu BER ước lượng UKF theo vận tốc ở SNR=15dB .................................................. 66
Bảng 5.8 Dữ liệu BER ước lượng UKF theo vận tốc ở SNR=20dB .................................................. 67
Bảng 5.9 Dữ liệu BER ước lượng UKF trên kênh truyền vehicular vận tốc 30km/h .......................... 68
Bảng 5.10 Dữ liệu BER ước lượng UKF trên kênh truyền vehicular vận tốc 60km/h ........................ 69
Bảng 5.11 Dữ liệu BER ước lượng UKF trên kênh truyền vehicular vận tốc 100km/h ...................... 70
Bảng 5.12 Dữ liệu BER ước lượng UKF theo vận tốc ở SNR=15dB ................................................ 71
Bảng 5.13 Dữ liệu BER ước lượng UKF theo vận tốc ở SNR=20dB ................................................ 72
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
OFDM
Orthogonal Frequency Devision Multiple
GI
Guard Interval
CP
Cyclic Prefix
FDD
Frequency Division Duplex
TDD
Time Division Duplex
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineering
FFT
Fast Fourrier Transform
IFFT
Inverse Fast Fourrier Transform
ICI
Inter Channel Interference
ISI
Inter Symbol Interference
QAM
Quadrature Amplitude Modulation
ITU
International Telecommunication Union
EKF
Extended Kalman Filter
UKF
Unscended Kalman Filter
ML
Maximum Likelihood
LS
Least Square
BER
Bit Error Rate
SNR
Signal to Noise Ratio
MSE
Mean Square Error
RMS
Root Mean Square
WiMAX
Worldwide Interoperability for Microwave Access
Giới thiệu
Chương 1
Chương 1: Giới thiệu
Một trong số những công nghệ 4G nổi bật và đang được triển khai trên thế giới là
mạng mobie WiMAX, một công nghệ được phát triển theo tiêu chuẩn IEEE 802.16e 2005.
Mục tiêu của hệ thống này là khắc phục được những vấn đề về đa đường và mơi
trường vơ tuyến khó có thể ước lượng trong hệ thống thơng tin di động, vì vậy mà
WiMAX tích hợp những cơng nghệ tiên tiến như MIMO (multi input multi output),
OFDMA (multi-user Orthogonal Frequency Division Multiplexing), AMC (adaptive
modulation and coding).
Để thực hiện việc thiết kế một cách chính xác hệ thống vơ tuyến thì việc đánh giá và
ước lượng chính xác mơ hình kênh truyền cực kì quan trọng vì mơi trường thơng tin di
động ln thay đổi và khó tìm hàm truyền của kênh truyền một cách hồn hảo, nhiều
mơ hình kênh truyền được đề xuất theo mơi trường thực tế và mơ hình tính tốn cho
kênh truyền vô tuyến [4], các giải thuật ước lượng kênh truyền dưới sự ảnh hưởng
của các loại nhiễu như ISI, nhiễu Gauss, môi trường đa đường cũng được nghiên cứu
trong đề tài này.
Ước lượng kênh có thể thực hiện bằng cách đưa một số tone pilot vào mỗi ký tự
OFDM. Đó là phương pháp ước lượng kênh pilot kết hợp dạng lược (comb) và khối
( block), được đưa ra để đáp ứng cần thiết cho cân bằng khi kênh thay đổi nhanh, thậm
chí thay đổi ngay trong một khối OFDM. Ước lượng kênh pilot dạng kết hợp bao gồm
giải thuật để ước lượng kênh tại tần số pilot và nội suy kênh tại các tần số chứa dữ liệu
[5].
Các bộ cân bằng miền tần số được sử dụng phổ biến là LS (Least Square), MMSE
(Minimum Mean Squared Error), ML (Maximun Likelyhood)…Tuy nhiên các bộ cân
bằng này không cho kết quả tốt trong điều kiện fading [6]. Vì vậy những bộ cân bằng
có thể thay đổi thích nghi dựa vào điều kiện của kênh truyền được ứng dụng trong
trường hợp này.
Kalman là họ bộ lọc thích được nghiên cứu ứng dụng trong hệ thống ước lượng kênh
truyền do giải thuật cho kết quả tốt trong môi trường fading. Đề tài này phát triển bộ
lọc Unscented Kalman (UKF) [1], [2], [3] kết hợp với phương pháp ước lượng dựa
trên cấu trúc Pilot dạng comb để xây dựng bộ cân bằng thích nghi cho hệ thống ước
lượng kênh truyền có khả năng đáp ứng tốt trong môi trường fading, sử dụng các tham
số mô phỏng theo tiêu chuẩn WiMAX di động để xây dựng hệ thống OFDM.
1
HVTH: Phạm Phú Mỹ
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên
Ths Nguyễn Đức Quang
Điều chế OFDM
Chương 2
Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM
2.1.Giới thiệu chương
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.
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, thấy được những ưu
điểm của kỹ thuật này được ứng dụng trong hệ thống Wimax nói chung và những kỹ
thuật truyền thông khác.
2.2.Kĩ thuật OFDM
2.2.1.Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
2.2.1.1.Lịch sử phát triển
OFDM là thuật ngữ mới phổ biến rộng rãi gần đây nhưng thuật ngữ này đã
xuất hiện cách đây hơn 40 năm:
Năm 1966, R.W. Chang đã phát minh ra kĩ thuật OFDM ở Mỹ.
Năm 1971, một công trình khoa học của Weisteins và Ebert đã chứng minh
rằng phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM có thể được thực hiện
thông qua phép biến đổi IDFT (biến đổi Fourier rời rạc ngược) và DFT ( biến
đổi Fourier rời rạc). Sau đó, cùng với sự phát triển của kĩ thuật số, người ta sử
dụng phép biến đổi IFFT và FFT cho bộ điều chế OFDM.
Năm 1999, tập chuẩn IEEE 802.11 phát hành chuẩn 802.11a về hoạt động của
OFDM ở băng tần 5GHz UNI.
Năm 2003, IEEE công bố chuẩn 802.11g cho OFDM hoạt động băng tần
2.4GHz và phát triển OFDM cho hệ thống băng rộng, chứng tỏ sự hữu dụng
của OFDM với các hệ thống có SNR( tỉ số S/N) thấp.
Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã hóa kênh, ước
lượng kênh để hạn chế lỗi xảy ra trên kênh truyền. Do chất lượng kênh (độ fading và tỉ
số S/N) của mỗi sóng mang con phụ là khác nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu
trên mỗi sóng mang đó với các mức điều chế khác nhau, gọi là điều chế thích nghi
2
HVTH: Phạm Phú Mỹ
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên
Ths Nguyễn Đức Quang
Điều chế OFDM
Chương 2
(adaptive modulation) hiện đang được sử dụng trong hệ thống thơng tin máy tính băng
rộng HiperLAN của ETSI ở Châu Âu.
2.2.1.2.Khái niệm
Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương
pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong
vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier)
trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng
lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khơi phục lại được tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn
phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so
với các kĩ thuật điều chế thông thường.
Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và
mức độ nhiễu. Con số này tương ứng với kích thước FFT. Chuẩn giao tiếp vơ tuyến
802.16d (2004) xác định 256 sóng mang con tương ứng FFT 256 điểm, hình thành
chuẩn Fixed WiMAX, với độ rộng kênh cố định. Chuẩn giao tiếp 802.16e (2005) cho
phép kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến 20MHz, hình
thành chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA ), để duy trì tương đối khoảng thời
gian khơng đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng mang với độ rộng
kênh.
2.2.1.3. Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM
Ngoài ưu điểm tiết kiệm băng thơng kênh truyền kể trên, OFDM cịn có một số
ưu điểm sau đây :
- Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (InterSymbol Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ
truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền.
- OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng.
- Cấu trúc máy thu đơn giản.
Tuy nhiên, bên cạnh đó, OFDM cũng có một số nhược điểm sau :
3
HVTH: Phạm Phú Mỹ
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên
Ths Nguyễn Đức Quang
Điều chế OFDM
Chương 2
- Việc sử dụng chuỗi bảo vệ giúp giảm hiện tượng ISI do phân tập đa đường
nhưng chuỗi bảo vệ khơng mang thơng tin có ích, chiếm một phần băng thông
của đường truyền làm giảm hiệu suất đường truyền.
- Do yêu cầu về tính trực giao giữa các sóng mang phụ nên hệ thống OFDM khá
nhạy cảm với hiệu ứng Dopler, dịch tần (frequency offset) và dịch thời
( time offset) do sai số đồng bộ.
- Đường bao biên độ của tín hiệu phía phát khơng bằng phẳng, gây ra méo phi
tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát và đầu thu.
2.2.2.Nguyên lý điều chế OFDM
2.2.2.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng
dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao. Vì
khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn,
cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường giảm xuống. Nhiễu ký tự ISI được
hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi
symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo
chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI. Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang
khơng chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau.
Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng
thông. Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu
giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau.
Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang
lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong
OFDM. Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ
thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ
số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó.
4
HVTH: Phạm Phú Mỹ
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên
Ths Nguyễn Đức Quang
Điều chế OFDM
Chương 2
Hình 2.1 So sánh kĩ thuật sóng mang khơng chồng xung (a) và kĩ thuật sóng
mang chồng xung (b)
Về bản chất ta có thể thấy rằng OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức
đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và
phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao. Nhờ thực
hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên.
Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễ do truyền dẫn đa đường (multipath)
giảm xuống.
OFDM khác với FDM ở nhiều điểm. Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát
thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn
cách giữa những đài. Tuy nhiên khơng có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các
trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thơng tin từ nhiều trạm được kết
hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử
dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang. Tất cả các sóng mang
thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép
kiểm sốt can nhiễu giữa những sóng mang. Các sóng mang này chồng lấp nhau trong
miền tần số, nhưng khơng gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực
giao của điều chế. Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn
giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu. Điều này làm giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên
với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ
cải thiện hiệu quả phổ.
Sơ đồ hệ thống OFDM:
5
HVTH: Phạm Phú Mỹ
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên
Ths Nguyễn Đức Quang
Điều chế OFDM
Chương 2
Hình 2.2 :Sơ đồ hệ thống OFDM
Theo sơ đồ hệ thống OFDM, dữ liệu nhị phân ban đầu được map và dữ liệu vào tốc
độ cao chia thành nhiều dòng dữ liệu thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp /song song
(S/P). Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật tốn sửa lỗi tiến
(FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp (chèn pilot). Những symbol hỗn hợp
được đưa đến đầu vào của khối IDFT. Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương
ứng với các kênh nhánh trong miền tần số. Tiếp theo, khoảng bảo vệ được chèn vào để
giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường. 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 hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN, Fading…
Ở phía thu, tín hiệu tần số cao được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt
được tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời
gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT bằng thuật tốn FFT. Sau đó tùy vào
cách mà tín hiệu điều chế, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh
sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh ( channel equalization). Các symbol hỗn hợp
thu được sẽ sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng chúng ta nhận được
dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.
6
HVTH: Phạm Phú Mỹ
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên
Ths Nguyễn Đức Quang
Điều chế OFDM
Chương 2
Hình 2.3 Hệ thống OFDM cơ bản
Hình 2.4: Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM
Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ
liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k (bit/s);
mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên PN có tốc độ Rc
(bit/s). Sau đó điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền trên nhiều sóng
mang trực giao. Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng thông kênh truyền,
7
HVTH: Phạm Phú Mỹ
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên
Ths Nguyễn Đức Quang
Điều chế OFDM
Chương 2
tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng khả năng giao thoa
sóng mang.
Trong cơng nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo
đảm khơng có sự chồng phổ, do đó khơng có hiện tượng giao thoa ký tự ISI giữa
những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất.Với kỹ
thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực
giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khơi phục mà khơng giao thoa hay
chồng phổ.
Hình 2.5 : Phổ của sóng mang con
Đơn sóng mang (single carrier)
Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi chỉ
trên một sóng mang
Hình 2.6 Truyền dẫn sóng mang đơn
Các ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát. Sau khi
truyền trên kênh đa đường. Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được sử
dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu.
Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phức
tạp. Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các
hệ thống đơn sóng mang.
Đa sóng mang (multi-carrier)
Khác với truyền dẫn đơn sóng mang, truyền dẫn đa sóng mang được thực hiện
bằng cách mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng
thơng thì khi bị chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh truyền thì chỉ có một phần dữ
8
HVTH: Phạm Phú Mỹ
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên
Ths Nguyễn Đức Quang
Điều chế OFDM
Chương 2
liệu có ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu các sóng mang khác mang tải có thể khơi phục dữ
liệu có ích
Hình 2.7 Truyền dẫn đa sóng mang
Do vậy đây là một ưu điểm so với truyền dẫn đơn sóng mang. Khi sử dụng nhiều
sóng mang có tốc độ thấp, các dữ liệu gốc thu được sẽ chính xác hơn. Ở máy thu, mỗi
sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường và giải điều chế. Tuy nhiên để
không giảm sự xuất hiện sự can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) thì phải có khoảng
bảo vệ khi hiệu quả phổ kém.
2.2.2.2. Tính trực giao
Trực giao chỉ ra có mối quan hệ tốn học chính xác giữa các tần số của các sóng
mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thơng thường, nhiều sóng mang
được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng
các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường. Trong các máy như vậy, các khoảng
bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau và việc đưa vào các
khoảng bảo vệ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống. Tuy nhiên có thể sắp xếp
các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các
tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà khơng có sự can nhiễu giữa các sóng mang.
Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt tốn học. Máy thu hoạt
động như một bộ gồm bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín
hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc.
Nếu tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang
này (trong một chu kỳ symbol T) thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ
là zero. Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách
9
HVTH: Phạm Phú Mỹ
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên
Ths Nguyễn Đức Quang
Điều chế OFDM
Chương 2
giữa các sóng là bội số của 1/T. Bất kì sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu giữa các
sóng mang ICI cũng làm mất tính trực giao.
Về mặt tốn học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực
chuẩn(Orthogonal basic) i (t ) / i 0,1... có tính chất sau:
T2
(t )
i
T1
k
1 i k
(t )dt ik
0 i k
(2.1)
Việc xử ký tín hiệu OFDM thực hiện trong miền tần số bằng cách sử dụng thuật
tốn xử lý tín hiệu số DSP ( digital signal processing). Nguyên tắc của tính trực giao
thường được sử dụng trong phạm vi DSP. Trong pham vi tốn học, số hạng trực giao
có được từ việc nghiên cứu các vectơ. Theo định nghĩa hai vectơ trực giao khi chúng
vng góc với nhau và tích của 2 véc tơ bằng 0
Hình 2.8 Tích của 2 vec tơ trực giao bằng 0
Ví dụ: Giá trị trung bình của hàm sin sau:
2 k
sin(t )dt 0
0
Q trình tích phân có thể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng đường cong.
Do đó, diện tích sóng sin có thể được viết như sau:
Hình 2.9: Giá trị của sóng sin bằng 0
10
HVTH: Phạm Phú Mỹ
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên
Ths Nguyễn Đức Quang
Điều chế OFDM
Chương 2
Nếu chúng ta cộng và nhân (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau,
kết quả cũng sẽ bằng 0.
Hình 2.10: Tích phân của hai sóng sin có tần số khác nhau.
Điều này gọi là tính trực giao của sóng sin. Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng
sóng sin khơng cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng 0. Đây là cơ sở để hiểu
quá trình điều chế OFDM.
11
HVTH: Phạm Phú Mỹ
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên
Ths Nguyễn Đức Quang
Điều chế OFDM
Chương 2
Hình 2.11: Tích hai sóng sin cùng tần số.
Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành ln dương, giá
trị trung bình của nó ln khác khơng. Đây là vấn đề rất quan trọng trong quá trình
điều chế OFDM. Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miền tần số nhờ
dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi nhanh Fourier (FFT).
Tính trực giao trong miền tần số :
Để minh họa tính trực giao trong miền tần số ta tiến hành phân tích phổ của hàm
sin(x)/x. Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc
(sin (x)/x). Đó là kết quả thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của sóng mang.
Mỗi symbol của OFDM được truyền trong một thời gian cố định (TFFT). Thời gian
symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1/TFFT (Hz)
12
HVTH: Phạm Phú Mỹ
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên
Ths Nguyễn Đức Quang
