Giải pháp ước lượng kênh truyền sử dụng kỹ thuật lặp theo thuật toán expectation maximization trong hệ thống ofdm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.61 MB, 106 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------
PHAN MINH MẪN
GIẢI PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN SỬ DỤNG KĨ
THUẬT LẶP THEO THUẬT TOÁN EXPECTATION
MAXIMIZATION TRONG HỆ THỐNG OFDM
Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 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 : .............................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...................................................................................
(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 . . . . tháng . . . . năm . . . . .
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. ........................................................
2. ........................................................
3. ........................................................
4. ........................................................
5. ........................................................
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. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . .
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: . . Phan Minh Mẫn . . . . . . . . . . . . . . . . .Giới tính : Nam / Nữ
Ngày, tháng, năm sinh : . . .26/11/1985 . . . . . . . . . . . . . . . . Nơi sinh : . . Bình Phước . . . . .
.
Chuyên ngành : . . . . . .Kỹ thuật điện tử . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Khoá (Năm trúng tuyển) : . .2010 . . .
1- TÊN ĐỀ TÀI: . . . GIẢI PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN SỬ DỤNG KĨ THUẬT
LẶP THEO THUẬT TOÁNEXPECTATION MAXIMIZATION TRONG HỆ THỐNG OFDM.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
........................................................................
........................................................................
........................................................................
........................................................................
........................................................................
........................................................................
........................................................................
........................................................................
........................................................................
........................................................................
........................................................................
........................................................................
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : . . 14/02/2012 . . .
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . PGS. TS. Phạm Hồng Liên và NCS. ThS. Nguyễn Đức Quang . . . . . . . . . . . . . .
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
Lời Cảm Ơn
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý thầy cô trường Đại học Bách
Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, các thầy cơ đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho
tôi những kiến thức vô cùng quý báu trong suốt thời gian tôi học đại học.Những
kiến thức ấy sẽ là nền tảng cho tôi tiếp tục bước đi trên con đường sau này.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến cô Phạm Hồng Liên, đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ, hỗ trợ tài liệu và định hướng nghiên cứu giúp tơi hồn
thành luận văn này. Tơi cũng xin cảm ơn anh Nguyễn Đức Quang vì những góp
ý, trao đổi quan trọng trong q trình thực hiện luận văn.Cảm ơn anh đã quan
tâm, chỉ bảo tận tình nhờ vậy luận văn có thể hồn thành.
Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân ,các đồng nghiệp
công ty TMA solutions đã trực tiếp hay gián tiếp giúp đỡ, chia sẻ, động viên tôi
rất nhiều để có thể hồn thành bản luận văn này.
Tơi xin gửi đến gia đình, Q thầy cơ, bạn bè, người thân lời kính chúc
sức khỏe, hạnh phúc và thành cơng.
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2012
PHAN MINH MẪN
ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu thơng tin liên lạc đóng vai trò ngày
càng quan trọng trong đời sống hiện nay, thơng tin liên lạc phải nhanh và chính xác
là địi hỏi được đặt ra . Trong truyền thông không dây ,việc truyền dẫn tín hiệu
trong các mơi trường khác nhau làm cho tín hiệu thu được ở bên thu và tín hiệu phát
có sự sai lệch nhau, gây ảnh hưởng đến chất lượng của các dịch vụ. Để tối thiểu hóa
sự sai lệch đó, người ta đã sử dụng nhiều phương pháp để cải thiện lỗi bit . Uớc
lượng kênh truyền là một phương pháp quan trọng để cải thiện tỉ lệ lỗi bit .Có 3 loại
ước lượng là mù, bán mù,rõ. Ước lượng bán mù là phương pháp kết hợp của ước
lượng rõ tại những vị trí có pilot và ước lượng mù tại vị trí dữ liệu. Trong luận văn
này, tơi sẽ tìm hiểu ước lượng kênh truyền bán mù sử dụng thuật toán Expectation
Maximization kết hợp với các thuật toán LS,Kalman cho cấu trúc Pilot dạng khối và
lược cho hệ thống OFDM.
Kết hợp thuật toán EM với LS được áp dụng cho pilot dạng khối .Có hại
phương pháp trong kết hợp này là Lặp EM cho 1 kí tự OFDM và Lặp EM cho một
nhóm 4 kí tự .
Kết hợp thuật toán EM với LS ,EM với Kalman được áp dụng cho pilot dạng
lược . Có bốn phương pháp kết hợp trong kết hợp này là : LS kết hợp Lặp EM cho 1
kí tự OFDM , LS với Kalman kết hợp Lặp EM cho 1 kí tự OFDM , LS kết hợp lặp
EM cho một nhóm 4 kí tự OFDM , LS với Kalman kết hợp lặp EM cho một nhóm 4
kí tự OFDM . Kết quả cho thấy tất cả các phương pháp này đều hoạt động hiệu quả
với mơi trường có nhiễu gauss và hiệu ứng đa đường , phương pháp kết hợp LS với
Kalman và EM một nhóm 4 kí tự cho cấu trúc comb pilot có tỉ lệ lỗi bit thấp nhất.
LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này là kết quả của quá trình tự nghiên cứu từ các bài báo khoa học
trên tạp chí IEEE, từ các ebook về hệ thống MIMO, các ebook về ước lượng kênh
truyền trong truyền thông không dây, các tư liệu đã đề cập trong phần tài liệu tham
khảo. Những kết quả nêu ra trong luận văn là thành quả nghiên cức của cá nhân tác
giả dưới sự giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn PGS.TS. Phạm Hồng Liên cùng NCS
Nguyễn Đức Quang, các thầy cô, các đồng nghiệp cùng bạn bè lớp cao học điện tử
2010. Tác giả xin cam đoan luận văn này hoàn toàn khơng sao chép lại bất kì một
cơng trình nào đã có từ trước.
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử
DANH SÁCH BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ ..............................................................v
CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................................. vii
Mở đầu
1
Chương 1 : Cơ sở lý thuyết để giải quyết vấn đề ........................................................5
1.1
Các vấn đề cơ bản của kênh truyền ................................................................5
1.1.1 Suy hao đường truyền..............................................................................6
1.1.2 Hiệu ứng đa đường ..................................................................................7
1.1.2.1 Rayleigh fading .................................................................................8
1.1.2.2 Fading lựa chọn tần số ......................................................................9
1.1.2.3 Trải trễ .............................................................................................10
1.1.2.4 Dịch Doppler ...................................................................................11
1.1.3 Nhiễu AWGN ........................................................................................12
1.2
Kỹ thuật điều chế phân chia tần số trực giao ...............................................13
1.2.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM ...............................................................13
1.2.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM ..................................................................17
1.2.2.1 Ánh xạ điều chế ..............................................................................19
1.2.2.2 Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song ................................................23
1.2.2.3 Chuyển đổi miền tần số sang miền thời gian ..................................24
1.2.2.4 Chèn khoảng bảo vệ ........................................................................25
1.2.2.5
....................................................................................27
1.2.2.6
...............................................................................27
1.2.3 Ưu điểm - nhược điểm của hệ thống OFDM ........................................31
HVTH: Phan Minh Mẫn
i
CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
NCS. Nguyễn Đức Quang
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử
1.2.3.1 Ưu điểm của hệ thống OFDM ........................................................31
1.2.3.2 Nhược điểm của hệ thống OFDM: .................................................32
1.2.3.3 Thuật toán giải mã ..........................................................................32
1.3
Kết luận chương : .........................................................................................36
Chương 2 : Căn bản về ước lượng kênh truyền ........................................................36
2.1
Giới thiệu chương ........................................................................................36
2.2
Hệ thống ước lượng kênh truyền .................................................................37
2.2.1 Sơ đồ hệ thống ước lượng kênh truyền .................................................37
2.2.2 Cấu trúc Pilot được chèn vào dữ liệu ....................................................40
2.2.2.1 Block type pilot ...............................................................................40
2.2.2.2 Comb type pilot..............................................................................41
2.2.3 Kỹ thuật nội suy trong ước lượng kênh truyền sử dụng
chuỗi huấn luyện dạng lược (comb pilot) .............................................43
2.2.3.1 Nội suy nearest neighbor ................................................................43
2.2.3.2 Nội suy tuyến tính (linear interpolation).........................................43
2.2.3.3 Nội suy bậc 2 (second order) ..........................................................43
2.2.3.4 Nội suy lowpass ..............................................................................44
2.2.3.5 Nội suy spline cubic ........................................................................44
2.3
Mô hình kênh truyền ITU sử dụng cho WiMAX di động ...........................45
2.4
Kết luận chương ...........................................................................................48
Chương 3 : Ứng dụng bộ lọc Kalman vào ước lượng kênh truyền
trong hệ thống OFDM ...........................................................................49
3.1
Giới thiệu chương ........................................................................................49
HVTH: Phan Minh Mẫn
ii
CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
NCS. Nguyễn Đức Quang
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử
3.2
Kalman Filter ...............................................................................................50
3.2.1 Giới thiệu về Kalman Filter ...................................................................50
3.2.2 Thuật toán cho bộ lọc Kalman ..............................................................51
3.2.2.1 Sai số dự báo ( innovation process) ................................................54
3.2.2.2 Ước lượng trạng thái sử dụng innovation process ..........................57
3.2.2.3 Độ lợi Kalman .................................................................................59
3.2.2.4 Phương trình Riccati .......................................................................60
3.2.2.5 Điều kiện ban đầu ...........................................................................62
3.2.3 Tóm tắt bài tốn lọc Kalman dựa vào dự báo một bước .......................63
3.3
Ứng dụng bộ lọc Kalman vào hệ thống ước lượng kênh truyền ..................65
3.4
Kết luận chương ...........................................................................................68
Chương 4 : Ứng dụng Thuật Toán EM (expectation maximization)
cho ước lượng kênh truyền bán mù .......................................................69
4.1
Giới thiệu thuật toán EM..............................................................................69
4.2
Áp dụng thuật toán EM cho vào ước lượng kênh truyền ............................70
4.3
Kết hợp thuật toán EM với thuật toán LS,Kalman
để tính đáp ứng tần số kênh truyền ..............................................................73
4.3.1 Ước lượng theo tiêu chuẩn LS...............................................................73
4.3.2 Kết hợp thuật toán EM với LS cho cấu trúc Block pilot .......................73
4.3.2.1 Thuật toán EM cho cấu trúc block pilot một kí tự ..........................73
4.3.2.2 Thuật tốn EM cho cấu trúc block pilot một nhóm kí tự ................74
4.3.3 Thuật toán EM cho cấu trúc comb pilot ...............................................75
HVTH: Phan Minh Mẫn
iii
CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
NCS. Nguyễn Đức Quang
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử
4.3.3.1 Thuật toán EM kết hợp LS với cấu trúc comb pilot
cho 1 kí tự OFDM ...........................................................................75
4.3.3.2 Thuật tốn EM kết hợp LS với cấu trúc comb pilot
cho 1 nhóm kí tự OFDM .................................................................76
4.3.3.3 Thuật toán EM kết hợp LS và Kalman với cấu trúc
comb pilot cho 1 kí tự OFDM.........................................................77
4.3.3.4 Thuật tốn EM kết hợp LS và Kalman với cấu trúc
comb pilot cho 1 nhóm kí tự OFDM ..............................................78
4.4
Kết luận chương : .........................................................................................79
Chương 5 : Các kết quả mô phỏng ............................................................................80
5.1
Đánh giá kết quả mô phỏng BER theo số lần lặp cho thuật toán EM .........81
5.2
So sánh BER các phương pháp kết hợp với thuật toán EM : ......................83
5.3
Đánh giá thuật toán EM khi hiệu ứng doppler shift thay đổi : ....................85
5.4
Kết luận chương ...........................................................................................87
Chương 6 : Kết luận và hướng phát triển ..................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................89
HVTH: Phan Minh Mẫn
iv
CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
NCS. Nguyễn Đức Quang
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử
DANH SÁCH BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ
Bảng 1.1 : Sự phân bố tích lũy đối với phân bố Rayleigh ..........................................9
Bảng 1.2 : Các giá trị trải trễ thông dụng ..................................................................11
Bảng 2.1 : Mô hình kênh truyền indoor ....................................................................46
Bảng 2.2 : Mơ hình kênh truyền pedestrian ..............................................................47
Bảng 2.3 : Mơ hình kênh truyền vehicular ................................................................48
Bảng 5.1 : Ber của các trường hợp lặp 300 500 700 1000 lần ..................................81
Bảng 5.2 : Giá trị ber của các phương pháp ước lượng kênh truyền
kết hợp thuật toán EM ............................................................................83
Bảng 5.3 : Giá trị Ber theo vận tốc di chuyển trong các mơi trường ........................86
Hình 1.1: Tín hiệu đa đường .......................................................................................5
Hình 1.2: Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz) ..........8
Hình 1.3: Trải trễ đa đường .......................................................................................10
Hình 1.4: Mơi trường truyền dẫn với sự có mặt của nhiễu trắng ..............................12
Hình 1.5: So sánh kỹ thuật sóng mang khơng chồng xung (a)
và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b)....................................................14
........................................16
Hình 1.7: Sơ
...............................................................18
Hình 1.8: Bộ điều chế và giải điều chế .....................................................................19
Hình 1.9: Quan hệ giữa tốc độ ký tự và tốc độ bit phụ thuộc vào
số bit trong một ký tự...............................................................................20
Hình 1.10: Chịm sao 4-PSK và 16-PSK ..................................................................21
HVTH: Phan Minh Mẫn
v
CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
NCS. Nguyễn Đức Quang
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử
Hình 1.11: Chịm sao QAM 16 và 64 .......................................................................22
Hình 1.12: Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song và ngược lại ...................................23
Hình 1.13: Bộ IFFT và FFT ......................................................................................24
tr
................................................26
Hình 1.15: Mơ tả ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong chống nhiễu ISI .......................27
Hình 1.16:
Hình 1.17:
ơ
...........................29
–
....................30
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống ước lượng kênh truyền .....................................................37
Hình 2.2 : Sắp xếp pilot dạng khối ............................................................................40
Hình 2.3: Sắp xếp pilot dạng lược ............................................................................41
Hình 3.1 : Mơ hình hóa bộ lọc Kalman .....................................................................52
Hình 3.2 : Sơ đồ hệ thống Kalman............................................................................53
Hình 3.3 : Sơ đồ tính tốn độ lợi Kalman .................................................................59
Hình 3.4 : Sơ đồ khối Kalman dựa vào dự báo một bước ........................................63
Hình 3.5 : Mơ hình ước lượng Kalman cho đáp ứng xung kênh truyền ...................66
Hình 4.1 : Thuật toán EM cho cấu trúc block pilot một kí tự ...................................74
Hình 4.2 : Thuật tốn EM cho cấu trúc block pilot một nhóm kí tự .........................75
Hình 4.3 : Thuật toán EM kết hợp LS với cấu trúc comb pilot
cho 1 kí tự OFDM....................................................................................76
Hình 4.4 : Thuật tốn EM kết hợp LS với cấu trúc comb pilot
cho 1 nhóm kí tự OFDM .........................................................................77
Hình 4.5 : Thuật tốn EM kết hợp LS và Kalman với cấu trúc
comb pilot cho 1 kí tự OFDM .................................................................78
Hình 4.6 : Thuật tốn EM kết hợp LS và Kalman với cấu trúc comb pilot cho 1
nhóm kí tự OFDM ...................................................................................79
HVTH: Phan Minh Mẫn
vi
CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
NCS. Nguyễn Đức Quang
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử
Hình 5.1: So sánh số lần lặp trong thuật tốn EM ....................................................82
Hình 5.2 : So sánh ber các phương pháp kết hợp thuật tốn EM..............................84
Hình 5.3: Ber theo vận tốc trong mơi trường Indoor và Pedestrian ..........................86
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
FEC
Forward Error Correction
EM
Expectation maximization
Probability density function
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
HVTH: Phan Minh Mẫn
vii
CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
NCS. Nguyễn Đức Quang
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử
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
P/S
Parallel to Serial
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
ZF
Zero-Forcing
HVTH: Phan Minh Mẫn
viii
CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
NCS. Nguyễn Đức Quang
1
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử
Mở đầu
Ngày nay cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu thơng tin liên lạc đóng vai
trị ngày càng quan trọng trong đời sống hiện nay, thông tin liên lạc phải tiện lợi
nhanh và chính xác là địi hỏi được đặt ra . Vì vậy các thế hệ mạng khơng dây đáp
ứng cho các dịch vụ đa phương tiện như truy cập Internet tốc độ cao, truyền hình di
động và máy tính tích hợp thiết bị di động, v.v… khơng ngừng phát triển. Sự đòi
hỏi các dịch vụ này tăng nhanh dẫn đến yêu cầu các kỹ thuật truyền tốc độ cao hơn
và chất lượng dịch vụ (QoS) cũng phải đảm bảo trong khi băng thông không được
phép mở rộng. Với những nhu cầu đó, cơng nghệ thơng tin di động thế hệ thứ tư
(4G) ra đời và đang dần hoàn thiện. Hệ thống OFDM với ưu điểm giảm được sự
phức tạp ở phía thu và giải quyết được fading đa đường, đã được áp dụng cho thế hệ
di động 4G. Trong truyền thơng khơng dây ,việc truyền dẫn tín hiệu trong các mơi
trường khác nhau làm cho tín hiệu thu được và tín hiệu phát có sai lệch nhau, gây
ảnh hưởng đến chất lượng của các dịch vụ.
Hiện nay có nhiều nghiên cứu cải tiến chất lượng của hệ thống OFDM một
trong số đó là phương pháp ước lượng kênh truyền bị ảnh hưởng bởi fading và các
loại khác cho khối thu tín hiệu.
Ước lượng kênh truyền là thành phần khơng thể thiếu trong bất kì hệ thống vơ
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 như: fading, nhiễu xạ hay tán xạ do các cơng
trình kiến trúc nằm giữa thiết bị phát và thiết bị thu, tương quan tín hiệu do ảnh
hưởng các kênh phát kề nhau, ảnh hưởng bởi tần số phát kề nhau giữa các kênh,
nhiễu xuyên kênh,… Hiện nay, các nghiên cứu về ước lượng kênh truyền vơ tuyến
có thể phân thành ba loại: ước lượng kênh dựa vào chuỗi huấn luyện, ước lượng
kênh mù và ước lượng bán mù.
HVTH: Phan Minh Mẫn
CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
NCS. Nguyễn Đức Quang
2
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử
Trong ước lượng dựa trên chuỗi huấn luyện, giả sử tín hiệu phát được sắp xếp
gồm các thông tin huấn luyện như là mào đầu của chuỗi dữ liệu, sau đó là phần tín
hiệu mang tin. Những tín hiệu huấn luyện này hồn tồn được biết ở phía thu và
thường có những thiết kế đặc biệt cho chuỗi huấn luyện này. Phương pháp ước
lượng dựa trên huấn luyện có thể được thực hiện dựa trên hai loại pilot là dạng lược
(comb) hoặc dạng khối (block). Ước lượng kênh truyền pilot dạng khối, phát triển
trên kênh truyền fading chậm; điều này giả sử rằng hàm truyền của kênh truyền
không thay đổi nhanh trên các ký tự phát đi. Ước lượng kênh truyền pilot dạng lược
được dùng đến khi kênh truyền thay đổi trong một khối ký tự phát.
Đối với ước lượng mù, người thiết kế loại bỏ chuỗi huấn luyện, tín hiệu được
khơi phục nhờ căn cứ trên thông tin thu được. Ý tưởng chính của thuật tốn này dựa
vào thống kê tín hiệu. Chẳng hạn, nếu phía phát truyền các chịm sao tín hiệu có tín
đối xứng với các xác suất biết trước bằng nhau, thì bộ thu nhận luồng kí hiệu có
trung bình thống kê bằng 0. Thêm vào đó, với thơng tin về tương quan tín hiệu phát,
giá trị tương quan tín hiệu thu cần tính có thể ước lượng phần nào đó giá trị kênh
truyền. Do vậy, thơng tin thống kê cung cấp giá trị trung bình để ước lượng kênh.
Nhờ loại bỏ kí hiệu huấn luyện, giải pháp này cho hiệu quả băng thông cao.
Ước lượng bán mù là kỹ thuật lai giữa kỹ thuật mù và kỹ thuật chuỗi huấn
luyện. Đối với ước lượng bán mù ,người thiết kế sẽ kết hợp phương pháp chuỗi
huấn luyện và phương pháp mù.Nghĩa là truyền một vài thông tin huấn luyện ,sau
đó truyền dữ liệu .Thơng tin huấn luyện sẽ được ước lượng trước, giá trị ước lượng
được sẽ là đầu vào cho ước lượng dữ liệu
Trong giới hạn của đề tài, tôi tập trung nghiên cứu giải thuật ước lượng kênh
truyền bán mù sử dụng thuật tốn EM cho mơ hình hệ thống OFDM trên kênh
truyền bất biến theo thời gian [21].
HVTH: Phan Minh Mẫn
CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
NCS. Nguyễn Đức Quang
3
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử
Dựa trên cơ sở dữ liệu trực tuyến của IEEE, ScienceDirect với trọng tâm là 4
bài báo "Experimental evaluation of pilot arrangement for channel estimation in
OFDM systems"[1],"Practical OFDM channel estimation method with Kalman
filter theory"[2], "An EM based frequency domain channel estimation algorithm for
multi-access OFDM systems"[3],"Semi-Blind Channel Estimation for OFDM
Systems Via An EM-Block Algorithm" .Tác giả đã phát triển thành luận văn
"GIẢI PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN SỬ DỤNG KĨ THUẬT LẶP THEO
THUẬT TOÁN EXPECTATION MAXIMIZATION TRONG HỆ THỐNG
OFDM" . Hệ thống OFDM được thực hiện bằng phần mềm Matlab. Công cụ
Matlab cho phép hiển thị các kết quả mang tính trực quan và kiểm nghiệm các phân
tích lý thuyết. Phần mềm Matlab được sử dụng trong đề tài này có phiển bản là
2009a.
Cấu trúc luận văn này gồm các phần sau:
Mở đầu: Trình bày các phương pháp, mục đích nghiên cứu, tóm tắt ước lượng kênh
truyền và phạm vi nghiên cứu.
Chương 1: Các vấn đề về kênh truyền ,điều chế tín hiệu OFDM.
o Mơi trường truyền sóng giữa máy phát và máy thu.
o Ngun lý cơ bản OFDM, mơ tả tốn học, kỹ thuật đơn sóng mang, đa sóng
mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM. Ưu và nhược điểm của hệ thống
OFDM
Chương 2: Căn bản ước lượng kênh truyền
o Nguyên tắc ước lượng kênh truyền.
o Cấu trúc và sự sắp xếp dạng chuỗi pilot huấn luyện dạng khối và dạng lược.Các
kĩ thuật nội suy khi sử dụng comb pilot
HVTH: Phan Minh Mẫn
CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
NCS. Nguyễn Đức Quang
4
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử
Chương 3: Ứng dụng bộ lọc Kalman vào ước lượng kênh truyền trong hệ thống
OFDM
o Cở sở lý thuyết bộ lọc Kalman
o Áp dụng các đặc tính của Kalman Filter sử dụng vào hệ thống ước lượng kênh
truyền.
Chương 4 : Ứng dụng Thuật Toán EM (expectation maximization) cho ước lượng
kênh truyền bán mù.
o Cở sở lý thuyết giải thuật EM
o Giải thuật EM cho cấu trúc comb pilot và block pilot
o Kết hợp giải thuật EM với giải thuật LS và Kalman
Chương 5: Trình bày kết quả mơ phỏng và so sánh và các kết quả.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của luận văn.
HVTH: Phan Minh Mẫn
CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
NCS. Nguyễn Đức Quang
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử
5
Chương 1 : Cơ sở lý thuyết để giải quyết vấn đề
1.1 Các vấn đề cơ bản của kênh truyền
Một trong những nét đặt trưng của kênh truyền không dây là giữa đầu phát
và thu có rất nhiều đường tín hiệu khác nhau. Những đường này làm cho tín hiệu ở
đầu thu sai lệch với tín hiệu phát ra ở đầu phát và được phân thành hai loại là sai
lệch do đường đi và sai lệch pha. Các tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di
động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, … và do đó gây ra hiện tượng đa
đường (multipath). Tín hiệu nhận được tại bộ thu yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại
bộ phát do các ảnh hưởng như: suy hao truyền dẫn trung bình (mean propagation
loss), suy hao đường truyền (path loss and attenuation ), fading đa đường
(multipath fading).
Phản xạ
Tán xạ
LOS
Khúc xạ
Thiết bị thu
Thiết bị phát
Hình 1.1: Tín hiệu đa đường
HVTH: Phan Minh Mẫn
CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
NCS. Nguyễn Đức Quang
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử
6
1.1.1 Suy hao đường truyền
Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức cơng suất tín hiệu trong q trình
truyền từ điểm này đến điểm khác. Suy hao truyền dẫn trung bình xảy ra do các
hiện tượng như: sự mở rộng về mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi
nước, lá cây… và do phản xạ từ mặt đất. Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc
vào khoảng cách và biến đổi rất chậm ngay cả đối với các thuê bao di chuyển với
tốc độ cao.
Tại anten phát, các sóng vơ tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là
sóng được mở rộng theo hình cầu). Ngay cả khi chúng ta dùng anten định hướng
để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật độ
năng lượng khi đó sẽ được tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế. Vì thế,
mật độ cơng suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu. Hay nói cách khác là
cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách.
Phương trình (1.1) tính cơng suất thu được sau khi truyền tín hiệu qua một
khoảng cách R:
2
PR
PT GT GR
4 R
(1.1)
Trong đó,
PR : Cơng suất tín hiệu thu được (W)
PT : Cơng suất phát (W)
GR : Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng)
GT : Độ lợi anten phát
: Bước sóng của sóng mang
R: Khoảng cách truyền
HVTH: Phan Minh Mẫn
CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
NCS. Nguyễn Đức Quang
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử
7
Hoặc ta có thể viết lại là:
PT
PR
4 R
2
1 1
GT GR
4
c
2
R2 f 2
1 1
GT GR
(1.2)
Gọi Lpt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do:
Lpt(dB)=PT(dB) - PR(dB)
=-10log10GT -10log10GR+20log10f+20log10R-47.6dB
(1.3)
Tổng quát, truyền dẫn trong không gian tự do rất đơn giản, chúng ta có thể
xây dựng mơ hình chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc
trực tiếp (không bị vật cản) như các tuyến liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm
vi ngắn. Tuy nhiên, cho hầu hết các tuyến thông tin trên mặt đất như thông tin di
động, mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn phức tạp hơn nhiều do đó
việc tạo ra các mơ hình cũng khó khăn hơn. Ví dụ, đối với những kênh truyền dẫn
vô tuyến di động UHF, khi đó điều kiện về khơng gian tự do khơng được thỏa,
chúng ta có cơng thức tính suy hao đường truyền như sau:
L pt
10 log 10 GT 10 log 10 G R
20 log 10 hBS
20 log 10 hMS
40 log 10 R
(1.4)
với hBS, hMS << R là độ cao anten trạm gốc BS (Base Station) và anten của trạm di
động MS (Mobile Station).
1.1.2 Hiệu ứng đa đường
Trong hệ thống thông tin vô tuyến, do các hiện tượng như phản xạ, tán xạ,
khúc xạ, nhiễu xạ… tín hiệu truyền từ bộ phát tới bộ thu sẽ bị tách thành nhiều
thành phần (giống với tín hiệu gốc) và mỗi thành phần sẽ có những đường đi khác
nhau. Hiện tượng này được gọi là truyền dẫn đa đường (multipath propagation).
Truyền dẫn đa đường dẫn đến sự trải rộng (spreading) của tín hiệu trong miền thời
HVTH: Phan Minh Mẫn
CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
NCS. Nguyễn Đức Quang
8
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử
gian, tần số… Các đại lượng đặc trưng cho hiện tượng này là: trải trễ (delay (time)
spread), trải phổ Doppler (Doppler spread), …
1.1.2.1 Rayleigh fading
Trong đường truyền vơ tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ
các vật cản như đồi núi, nhà cửa, xe cộ... sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu
(Hình 1.1) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu
thu bị suy giảm. Mối quan hệ về pha giữa các tín hiệu phản xạ có thể là ngun
nhân gây ra nhiễu có cấu trúc hay khơng có cấu trúc. Điều này được tính trên các
khoảng cách rất ngắn (thơng thường 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 được trong
khoảng từ 10-30dB trên một khoảng cách ngắn. Hình 1.2 mơ tả các mức suy giảm
khác nhau có thể xảy ra do fading.
Hình 1.2 : Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz)
HVTH: Phan Minh Mẫn
CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
NCS. Nguyễn Đức Quang
9
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử
Phân bố Rayleigh được sử dụng để mô tả thời gian thống kê của cơng suất tín hiệu
thu. Nó mơ tả xác suất của mức tín hiệu thu được do fading.
Bảng 1.1: Sự phân bố tích lũy đối với phân bố Rayleigh
Mức tín hiệu (dB)
Xác suất của mức tín
hiệu nhỏ hơn giá trị
cho phép (%)
10
99
0
50
-10
5
-20
0.5
-30
0.05
1.1.2.2 Fading lựa chọn tần số
Trong bất kỳ đường truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ không bằng phẳng do
có sóng phản xạ đến đầu vào máy thu. Sự phản xạ có thể dẫn đến tín hiệu đa
đường của cơng suất tín hiệu tương tự như tín hiệu trực tiếp gây suy giảm cơng
suất tín hiệu thu do nhiễu. Tồn bộ tín hiệu có thể bị mất trên đường truyền băng
h5p nếu khơng có đáp ứng tần số xảy ra trên kênh truyền. Có thể khắc phục bằng
hai cách:
Truyền tín hiệu băng rộng hoặc sử dụng phương pháp trải phổ như CDMA
nhằm giảm bớt suy hao
Phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng
mang, mỗi sóng mang này trực giao với các sóng mang khác (tín hiệu OFDM).
Tín hiệu ban đầu được trải trên băng thơng rộng, khơng có phổ xảy ra tại tất cả tần
số sóng mang. Kết quả là chỉ có một vài tần số sóng mang bị mất. Thơng tin trong
HVTH: Phan Minh Mẫn
CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
NCS. Nguyễn Đức Quang
10
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử
các sóng mang bị mất có thể khơi phục bằng cách sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi
thuận FEC
1.1.2.3 Trải trễ
Tín hiệu vơ tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu
phản xạ từ các vật cản như các tịa nhà, đồi núi… Tín hiệu phản xạ đến máy thu
chậm hơn so với tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn. Trải trễ là thời gian
trễ giữa tín hiệu đi thẳng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu.
Trong hệ thống số, trải trễ có thể dẫn đến nhiễu liên ký tự ISI [23]. Điều này
do tín hiệu đa đường bị trễ chồng lấn với ký tự theo sau, và nó có thể gây ra lỗi
nghiêm trọng ở các hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kênh phân
chia theo thời gian TDMA.
Hình 1.3: Trải trễ đa đường
Hình 1.3 cho thấy ảnh hưởng của trải trễ gây ra nhiễu liên ký tự. Khi tốc độ
bit phát đi tăng lên thì một lượng nhiễu ISI cũng tăng lên một cách đáng kể. Ảnh
hưởng thể hiện rõ ràng nhất khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit (bit time).
HVTH: Phan Minh Mẫn
CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
NCS. Nguyễn Đức Quang
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử
11
Bảng 1.2: Các giá trị trải trễ thông dụng
Môi trường
Trải trễ
Chênh lệch quãng đường đi lớn
nhất của tín hiệu
Trong nhà
40ns – 200ns
12m – 60m
Bên ngoài
1 s –20 s
300m – 6km
Bảng 1.2 đưa ra các giá trị trải trễ thông dụng đối với các môi trường khác
nhau. Trải trễ lớn nhất ở môi trường bên ngồi xấp xỉ là 20 s; do đó, nhiễu liên ký
tự có thể xảy ra đáng kể ở tốc độ thấp nhất là 25Kbps.
Nhiễu ISI có thể được tối thiểu hóa bằng nhiều cách:
-
Giảm tốc độ ký tự bằng cách giảm tốc độ dữ liệu cho mỗi kênh (như chia
băng thông ra nhiều băng con nhỏ hơn như sử dụng OFDM)
-
Sử dụng kỹ thuật mã hóa để giảm nhiễu ISI như trong CDMA
1.1.2.4 Dịch Doppler
Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín
hiệu thu khơng giống bên phía phát. Khi chúng di chuyển cùng chiều (hướng về
nhau) thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di
chuyển xa nhau thì tần số tín hiệu thu bị giảm xuống. Đây gọi là hiệu ứng Doppler.
Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ
chuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng. Độ dịch
Doppler có thể được tính theo cơng thức:
f
HVTH: Phan Minh Mẫn
f0
v
c
(1.5)
CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
NCS. Nguyễn Đức Quang
