Đánh giá hiệu quả hệ thống OFDM qua kênh truyền fading chọn lọc kép
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.18 MB, 98 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------
NGUYỄN QUANG SANG
ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ HỆ THỐNG OFDM
QUA KÊNH TRUYỀN FADING CHỌN LỌC KÉP
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60 52 70
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2012
Cơng trình đƣợc hồn thành tại: Trƣờng Đại Học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Các bộ hƣớng dẫn khoa học:
TS. Hồ Văn Khƣơng
TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo
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 đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày …. tháng …. năm….
Thành phần 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
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
BỘ MƠN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
_______________
________________
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Quang Sang
MSHV: 11140052
Ngày, tháng, năm sinh: 26/08/1987
Nơi sinh: Long An
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 605270
I.
TÊN ĐỀ TÀI: Đánh giá hiệu quả hệ thống OFDM qua kênh truyền fading
chọn lọc kép.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-
Tìm hiểu về kênh truyền vô tuyến, đƣa ra khái niệm, nguyên nhân và ảnh
hƣởng của fading chọn lọc kép.
-
Khảo sát mô hình hệ thống OFDM hoạt động trong mơi trƣờng fading chọn
lọc kép. Đƣa ra biểu thức dạng toán học của tín hiệu thu đƣợc.
-
Phân tích biểu thức tính xác suất lỗi ký tự SER của hệ thống dùng kỹ thuật
tách sóng ZF. So sánh khả năng nâng cao chất lƣợng hệ thống của kỹ thuật
tách sóng ZF và MMSE.
-
Mơ phỏng, đánh giá sự ảnh hƣởng của các thông số hệ thống, kênh truyền
đến chất lƣợng hệ thống. Đƣa ra kỹ thuật tách sóng phù hợp với mơi trƣờng
truyền nhằm nâng cao chất lƣợng mà vẫn cân bằng đƣợc với độ phức tạp
thực hiện.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. Hồ Văn Khƣơng
TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo
Tp. HCM, ngày …. tháng …. năm…..
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
TRƢỞNG KHOA
(họ tên và chữ ký)
(họ tên và chữ ký)
(họ tên và chữ ký)
LỜI CẢM ƠN
Xin gửi đến TS. Hồ Văn Khƣơng và TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo lời cảm ơn
chân thành, sự trân trọng và lịng biết ơn sâu sắc vì đã hƣớng dẫn em đầy chu đáo và
nhiệt tình. Thầy đã dẫn dắt, tạo cho em cách tƣ duy và làm việc một cách khoa học,
hƣớng đến các đề tài khoa học mới mẽ và tiếp cận với các công nghệ hiện đại.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện – Điện tử - chuyên
ngành Kỹ thuật Điện tử đã hết lòng dạy dỗ và truyền đạt những kiến thức quý báu.
Con xin gửi đến cha mẹ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, một chỗ dựa
tinh thần vững chắc nhất của con. Đồng thời xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã
cùng sát cánh bên tôi trong việc giải quyết các vấn đề nảy sinh khi nghiên cứu, giúp
tơi có thể tiếp tục hƣớng hƣớng nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
Do kiến thức còn hạn chế và chƣa trải nghiệm thực tế nhiều nên chắc chắn em
cịn những thiếu sót trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn tối nghiệp này.
Em rất mong đƣợc sự góp ý của thầy cơ và các bạn để giúp em hoàn thiện hơn kiến
thức cũng nhƣ vững bƣớc trong quá trình làm việc sau này.
Chân thành cảm ơn.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 12 năm 2012
Học Viên
Nguyễn Quang Sang
-i-
ABSTRACT
Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) has emerged as one of
the most pratical techniques for data communication over frequency-selective
fading channels. In OFDM, the computationally-efficient Fast Fourier transform
(FFT) is used to transmit data in parallel over a large number of orthogonal
subcarriers. When an adequate number of subcarriers are used in conjunction with a
cyclic prefix of adequate lengh, subcarrier orthogonality is maintained, even in the
presence of frequency-selective fading. Orthogonality implies a lack of subcarrier
interference and permits simple, high-performance data detection.
In time-and frequency-selective (or doubly selective fading), however, the
subcarrier orthogonality is lost, leading to subcarrier interference that greatly
complicates optimal data detection. Historically, OFDM has been applied to
scenarios in which time selectivity can be effectively ignored, but present and future
wireless applications are expected to operate at high transmit-frequencies, at high
levels of mobility, and at high capacities, resulting in doubly selective fading.
In this thesis, we firstly present an overview of wireless channels
concentrating on the cause of doubly selective fading and its influences to the
system quality. To remedy these influences, we study signal detection techniques
such as on Zero-forcing (ZF) and Minimum Mean Square Error (MMSE).
Especially, we derive an exact symbol error rate (SER) expression for OFDM
systems with ZF detection over doubly selective Rayleigh fading channels for fast
performance evaluation without consuming. It is shown that analytical results are in
the perfect agreement with simulated ones. Moreover, various results are provided
to compare these two signal detection techniques and investigate the impact of
operation parameters such as mobility speed, sampling frequency, carrier
frequency,… to the quality of OFDM systems.
-ii-
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một trong những kỹ thuật nổi
trội đƣợc sử dụng trong truyền thông dữ liệu qua kênh truyền fading chọn lọc tần
số. Trong OFDM, FFT đƣợc sử dụng nhằm nâng cao hiệu quả tính tốn trong việc
truyền dữ liệu song song với một số lƣợng lớn sóng mang trực giao. Nhờ vào
khoảng bảo vệ CP (cyclic prefix) mà tính trực giao giữa các sóng mang đƣợc bảo
đảm ngay cả trong môi trƣờng fading chọn lọc tần số. Tính trực giao cịn hàm ý là
hạn chế đƣợc xun nhiễu giữa các sóng mang và đảm bảo việc tách sóng ở đầu thu
đơn giản và chất lƣợng cao.
Tuy nhiên, sự trực giao trong OFDM sẽ bị mất nếu hệ thống hoạt động trong môi
trƣờng fading vừa chọn lọc tần số vừa chọn lọc thời gian (hay fading chọn lọc kép),
dẫn đến nhiễu xuyên sóng mang (ICI) gây ra khó khăn cho việc tách sóng. Trong
quá khứ, ta bỏ qua đặc tính chọn lọc thời gian của kênh truyền, nhƣng với các ứng
dụng trong tƣơng lai đòi hỏi hoạt động ở tần số cao, tính di động cao, cũng nhƣ
dung lƣợng cao gây ra fading chọn lọc kép.
Luận văn này trình bày tổng quan về kênh truyền vơ tuyến mà tập trung chủ yếu vào
nguyên nhân gây ra fading chọn lọc kép cũng nhƣ tác động của nó đến chất lƣợng
hệ thống. Sau đó, các kỹ thuật tách sóng cơ bản nhƣ ZF và MMSE cũng đƣợc
nghiên cứu nhằm giảm thiểu xác suất lỗi do kênh truyền này gây ra. Đặc biệt, đƣa ra
đƣợc biểu thức tính xác suất lỗi ký tự (SER) của hệ thống OFDM dùng kỹ thuật
tách sóng ZF, kết quả phân tích trùng với kết quả mơ phỏng. Ngồi ra, cịn đƣa ra
đƣợc các nhận xét và kết luận về sự ảnh hƣởng của các thông số hệ thống và kênh
truyền nhƣ: tốc độ di chuyển của ngƣời sử dụng, tần số lấy mẫu, tần số sóng mang,
số đa đƣờng…. đến chất lƣợng hệ thống.
-iii-
LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này là kết quả của quá trình nghiên cứu từ các bài báo khoa học trên tạp
chí IEEE, từ các Ebook về hệ thống OFDM, từ các tƣ liệu đã đề cập trong phần tài
liệu tham khảo. Những kết quả nêu ra trong luận văn này là thành quả lao động của
cá nhân tác giả dƣới sự giúp đỡ của giáo viên hƣớng dẫn TS. Hồ Văn Khƣơng và
TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo, các thầy cô, các đồng nghiệp cùng bạn bè. Tác giả xin
cam đoan luận văn này hồn tồn khơng sao chép bất kì một cơng trình nào đã có từ
trƣớc.
-iv-
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i
ABSTRACT .............................................................................................................. ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN .......................................................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... iv
MỤC LỤC ..................................................................................................................v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT................................................................................ viii
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... ix
I.
MỞ ĐẦU ..............................................................................................................1
II. NỘI DUNG ..........................................................................................................4
CHƢƠNG 1: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN.............................................................4
1.1.
Giới thiệu chƣơng ........................................................................................4
1.2.
Định nghĩa fading ........................................................................................4
1.3.
Hiện tƣợng Multipath ..................................................................................7
1.4.
Đáp ứng xung của kênh truyền bất biến theo thời gian (time-invariant
channel impulse) ..........................................................................................9
1.4.1.
Khái niệm về kênh truyền bất biến theo thời gian ..........................9
1.4.2.
Khái niệm về đáp ứng xung của kênh truyền (channel impulse
response) .........................................................................................9
1.5.
Hàm truyền đạt của kênh truyền bất biến theo thời gian (time-invariant
channel transfer function) ..........................................................................10
1.6.
Kênh truyền thay đổi theo thời gian (time-variant channel) ......................11
1.7.
Tƣơng quan của đáp ứng xung thay đổi theo thời gian ( h(t , ) ) ...............12
1.8.
Kênh truyền fading phẳng và kênh truyền fading chọn lọc tần số do trải trễ
đa đƣờng gây ra..........................................................................................13
1.8.1.
Băng thông ổn định (Coherence Bandwidth) ...............................13
-v-
1.9.
1.8.2.
Kênh truyền fading phẳng ............................................................14
1.8.3.
Kênh truyền fading chọn lọc tần số ..............................................15
Kênh truyền fading chậm (kênh truyền fading bất biến theo thời gian) và
kênh truyền fading nhanh (kênh truyền fading thay đổi theo thời gian hay
kênh truyền fading chọn lọc thời gian) ......................................................15
1.9.1.
Hiệu ứng Doppler .........................................................................16
1.9.2.
Thời gian ổn định của kênh truyền (coherence time of the
channel) .........................................................................................16
1.9.3.
Kênh truyền fading không chọn lọc thời gian ..............................17
1.9.4.
Kênh truyền fading chọn lọc thời gian .........................................17
1.10. Nhiễu liên ký tự ISI....................................................................................18
1.11. Nhiễu xuyên sóng mang ICI ......................................................................20
CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG OFDM TRONG MÔI TRƢỜNG FADING CHỌN
LỌC KÉP ............................................................................................................21
2.1.
Giới thiệu chƣơng ......................................................................................21
2.2.
Khái quát về OFDM ..................................................................................21
2.2.1.
Ƣu điểm của hệ thống OFDM ......................................................22
2.2.2.
Khuyết điểm của hệ thống OFDM ...............................................22
2.2.3.
Cơn bản về kỹ thuật OFDM .........................................................23
2.2.4.
Tính trực giao trong OFDM và khả năng cải thiện hiệu quả sử
dụng hiệu quả băng thông so với FDM ........................................24
2.2.5.
Hiệu quả của việc ứng dụng thuật toán IFFT/FFT vào OFDM ....27
2.2.6.
Khoảng thời gian bảo vệ Cyclic Prefix .........................................28
2.3.
Mơ hình dùng để phân tích tín hiệu ở đầu thu của hệ thống OFDM qua
mơi trƣờng fading chọn lọc kép .................................................................35
2.4.
Mơ hình SM-MIMO ..................................................................................41
2.5.
Ảnh hƣởng của fading chọn lọc kép đến hệ thống OFDM ........................42
-vi-
CHƢƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT TÁCH SÓNG .......................................................43
3.1.
Giới thiệu chƣơng ......................................................................................43
3.2.
Phân tích SER của hệ thống sử dụng kỹ thuật tách sóng ZF .....................43
3.3.
3.4.
m của sm ...........................................................................43
3.2.1.
SNR
3.2.2.
Hàm mật độ xác suất f (m ) .........................................................45
3.2.3.
Xác suất lỗi ký tự SER..................................................................46
So sánh kỹ thuật tách sóng ZF và MMSE thơng qua phân tích giá trị kỳ
vọng............................................................................................................48
3.3.1.
Phân tích ma trận kênh truyền phƣơng pháp tách trị riêng SVD
(Singular Value Decomposition) ..................................................48
3.3.2.
Giá trị kỳ vọng của công suất nhiễu sử dụng kỹ thuật tách sóng ZF
......................................................................................................48
3.3.3.
Giá trị kỳ vọng của cơng suất nhiễu sử dụng kỹ thuật tách sóng
MMSE ...........................................................................................49
Kỹ thuật tách sóng ML ..............................................................................51
CHƢƠNG 4: MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .........................................53
4.1.
Giới thiệu chƣơng ......................................................................................53
4.2.
Kết quả SER mô phỏng và SER phân tích dùng kỹ thuật tách sóng ZF ...53
4.3.
Thay đổi tần số Doppler chuẩn hóa (Normalized Doppler frequency) .....56
4.4.
Đánh giá sự thay đổi của vận tốc đến chất lƣợng hệ thống trong trƣờng
hợp fdTo=0.2 và fdTo=0.4 ........................................................................68
4.5.
Đánh giá sự thay đổi của tần số lấy mẫu đến chất lƣợng hệ thống ...........71
4.6.
Đánh giá sự thay đổi của tần số sóng mang đến chất lƣợng hệ thống .......73
4.7.
Thay đổi số đa đƣờng L trong trƣờng hợp fdTo=0.4 ..................................75
4.8.
Thay đổi kích thƣớc FFT (N=128 ,256, 512) với fdTo=0.4 .......................76
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.......................79
III. DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................80
-vii-
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
3GPP-LTE
3rd Generation Partnership Project - Long Term Evolution
ACF
Auto-Correlation Function
CP
Cyclic Prefix
DFT
Discrete Fourier Transform
FFT
Fast Fourier Transform
ICI
Inter-carrier Interference
IEEE
Institude of Electrical and Electronics Engineers
IFFT
Inverse Fast Fourier Transform
ISI
Inter-symbol Interference
LOS
Light Of Sight
ML
Maximum Likelihood
MMSE
Minimum Mean Square Error
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
QAM
Quadrature Amplitude modulation
SER
Symbol Error Rate
SM-MIMO
Spatial Multiplexing Multiple-Input Multiple-Output
SVD
Singular Value Decomposition
WSSUS
Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter
ZF
Zero Forcing
-viii-
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hiện tƣợng fading xảy ra do ảnh hƣởng của địa hình và chƣớng ngại vật . 5
Hình 1.2: Tín hiệu phản xạ đến phía thu bị trễ gây can nhiễu đến tín hiệu chính ..... 6
Hình 1.3 – (a) Fading phẳng (b) Fading chọn lọc tần số (c) Với truyền dẫn OFDM
thì dữ liệu truyền trong nhiều sóng mang con, nên tần số bị fading thì chỉ một tập
hợp nhỏ dữ liệu bị mất. ............................................................................................... 6
Hình 1.4: Hiện tƣợng phản xạ. .................................................................................... 8
Hình 1.5: Hiện tƣợng tán xạ. ....................................................................................... 8
Hình 1.6: Hiện tƣợng nhiễu xạ .................................................................................... 8
Hình 1.7: Tín hiệu tới phía thu theo L đƣờng. .......................................................... 11
Hình 1.8: Đáp ứng tần số của kênh truyền phẳng. .................................................... 14
Hình 1.9: Đáp ứng tần số của kênh truyền fading chọn lọc tần số. .......................... 15
Hình 1.10: Kênh truyền thay đổi theo thời gian........................................................ 18
Hình 1.11: Tín hiệu phát qua môi trƣờng fading chọn lọc tần số ............................. 19
Hình 1.12: Điều chế đa sóng mang ........................................................................... 20
Hình 2.1: Hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số ............................................... 23
Hình 2.2: Các sóng mang trực giao ........................................................................... 24
Hình 2.3: Hệ thống OFDM với N sóng mang phụ và băng thơng W ....................... 25
Hình 2.4: So kỹ thuật sánh đa sóng mang khơng chồng phổ và OFDM................... 26
Hình 2.5: Thực hiện DFT .......................................................................................... 28
Hình 2.6: Mơ tả ứng dụng của khoảng bảo vệ trong việc chống nhiễu ISI .............. 29
Hình 2.7 : Nhiễu giữa các sóng mang con ................................................................ 30
Hình 2.8: Ký hiệu OFDM với sự mở rộng có tính chu kỳ. ....................................... 31
-ix-
Hình 2.9a: Các thành phần của ký tự OFDM thu đƣợc sau khi truyền qua kênh
truyền đa đƣờng trong trƣờng hợp khơng có khoảng bảo vệ. ................................... 32
Hình 2.9b: Các thành phần của ký tự OFDM thu đƣợc sau khi truyền qua kênh
truyền đa đƣờng trong trƣờng hợp có khoảng bảo vệ. .............................................. 32
Hình 2.10a: Các ký tự OFDM thu đƣợc sau khi truyền qua kênh truyền đa đƣờng
trong trƣờng hợp khơng có khoảng bảo vệ ............................................................... 33
Hình 2.10b: Các ký tự OFDM thu đƣợc sau khi truyền qua kênh truyền đa đƣờng
trong trƣờng hợp có khoảng bảo vệ .......................................................................... 33
Hình 2.11: Sơ đồ khối hệ thống OFDM ................................................................... 35
Hình 2.12: Hệ thống MIMO hợp kênh khơng gian ................................................... 41
Hình 4.1: So sánh SER mơ phỏng và SER phân tích dùng kỹ thuật tách sóng ZF
trong một số phƣơng pháp điều chế 4-QAM, 16-QAM và 64-QAM. ..................... 55
Hình 4.2: Các chịm sao ánh xạ 4-QAM, 16-QAM và 64-QAM. ............................. 56
Hình 4.3: Đánh giá SER thông qua giá trị Normalized Doppler frequency từ 0 đến 1
dùng kỹ thuật tách sóng ZF và MMSE. .................................................................... 58
Hình 4.4: Độ lợi fading trên trên các mẫu ký tự trong trƣờng hợp fdTo=0 ............... 59
Hình 4.5: Biểu diễn ma trận G có kính thƣớc (128*128) trong trƣờng hợp
fdTo=0 ........................................................................................................................ 60
Hình 4.6: Biểu diễn 4 cột đầu tiên của ma trận G trong trƣờng hợp fdTo=0 ............. 60
Hình 4.7: Độ lợi fading trên trên các mẫu ký tự trong trƣờng hợp fdTo=0.2 ............ 61
Hình 4.8: Biểu diễn ma trận G có kính thƣớc (128*128) trong trƣờng hợp
fdTo=0.2 ..................................................................................................................... 61
Hình 4.9: Biểu diễn 4 cột đầu tiên của ma trận G trong trƣờng hợp fdTo=0.2 .......... 62
Hình 4.10: Độ lợi fading trên trên các mẫu ký tự trong trƣờng hợp fdTo=0.4 .......... 62
Hình 4.11: Biểu diễn ma trận G có kính thƣớc (128*128) trong trƣờng hợp
fdTo=0.4 ..................................................................................................................... 63
-x-
Hình 4.12: Biểu diễn 4 cột đầu tiên của ma trận G trong trƣờng hợp fdTo=0.4 ....... 63
Hình 4.13: Độ lợi fading trên trên các mẫu ký tự trong trƣờng hợp fdTo=0.6 .......... 64
Hình 4.14: Biểu diễn ma trận G có kính thƣớc (128*128) trong trƣờng hợp
fdTo=0.6 ..................................................................................................................... 64
Hình 4.15: Biểu diễn 4 cột đầu tiên của ma trận G trong trƣờng hợp fdTo=0.6 ....... 65
Hình 4.16: Độ lợi fading trên trên các mẫu ký tự trong trƣờng hợp fdTo=0.8 .......... 65
Hình 4.17: Biểu diễn ma trận G có kính thƣớc (128*128) trong trƣờng hợp
fdTo=0.8 ..................................................................................................................... 66
Hình 4.18: Biểu diễn 4 cột đầu tiên của ma trận G trong trƣờng hợp fdTo=0.8 ........ 66
Hình 4.19: Độ lợi fading trên trên các mẫu ký tự trong trƣờng hợp fdTo=1 ............. 67
Hình 4.20: Biểu diễn ma trận G có kính thƣớc (128*128) trong trƣờng hợp
fdTo=1 ........................................................................................................................ 68
Hình 4.21: Biểu diễn 4 cột đầu tiên của ma trận G trong trƣờng hợp fdTo=1 .......... 68
Hình 4.22: Ảnh hƣởng của vận tốc đến SER trong trƣờng hợp fdTo=0.4 . ............... 70
Hình 4.23: Ảnh hƣởng của vận tốc đến SER trong trƣờng hợp fdTo=0.2 ................ 70
Hình 4.24: Ảnh hƣởng của tần số lấy mẫu đến SER. ............................................... 72
Hình 4.25: Ảnh hƣởng của tần số sóng mang đến SER. ........................................... 74
Hình 4.26: Ảnh hƣởng của mơi trƣờng đa đƣờng (thay đổi giá trị L=2,4,8) đến chất
lƣợng hệ thống........................................................................................................... 76
Hình 4.27: Ảnh hƣởng giá trị N-FFT đến chất lƣợng hệ thống ................................ 78
-xi-
I. Mở đầu
GVHD: TS. Hồ Văn Khƣơng
TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo
I.
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài: Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao là một kỹ thuật đang
đƣợc quan tâm cho truyền dẫn dữ liệu với tốc độ cao trong thông tin vô tuyến.
Chuỗi dữ liệu tốc độ cao trong hệ thống OFDM đƣợc chia ra và đƣợc truyền trên
nhiều chuỗi song song tốc độ thấp, mỗi chuỗi con đƣợc điều chế trên các sóng mang
trực giao nhau. Nếu kênh truyền bất biến theo thời gian thì sự tác động của nó lên
mỗi kênh truyền phụ có thể đƣợc mơ tả bởi một hệ số phức. Do đó, việc cân bằng
đƣờng truyền hay tách sóng ở phía thu có thể đƣợc thực hiện dễ dàng nhờ giải thuật
DFT đƣợc theo sau bởi một bộ cân bằng đơn tập [2]. Vì thế OFDM đƣợc ứng dụng
trong các chuẩn khơng dây băng rộng nhƣ IEEE 802.16e, IEEE 802.20, 3GPP-LTE.
Tuy nhiên, các ứng dụng trong tƣơng lai đòi hỏi hoạt động ở tần số sóng mang cao,
tính di động cao và dung lƣợng cao, dẫn đến fading chọn lọc kép [3], nghĩa là hệ
thống bị ảnh hƣởng đồng thời fading chọn lọc tần số và fading chọn lọc thời gian.
Khi đó, sự thay đổi theo thời gian của kênh truyền làm mất tính trực giao của các
sóng mang tại đầu ra của DFT hay FFT, gây ra nhiễu xuyên sóng mang (ICI) và làm
giảm chất lƣợng hệ thống [2], [3]. Chính vì thế việc nghiên cứu tác động của mơi
trƣờng fading chọn lọc kép lên hệ thống OFDM là rất cần thiết nhằm mục đích lựa
chọn các thơng số hệ thống thích hợp cho các ứng dụng địi hỏi tốc độ cao hiện nay.
Song song đó, các kỹ thuật tách sóng cũng đƣợc trình bày trong luận văn này, nhằm
giảm thiểu ảnh hƣởng do fading chọn lọc kép gây ra.
Mục đích nghiên cứu: đánh giá chất lƣợng hệ thống OFDM qua kênh truyền
fading chọn lọc kép, để thấy đƣợc tầm ảnh hƣởng của các yếu tố, thông số của kênh
truyền cũng nhƣ của hệ thống lên tín hiệu thu. Từ đó có thể so sánh và chọn lựa các
thơng số hệ thống và phƣơng pháp tách sóng phù hợp. Các phƣơng pháp tách sóng
đƣợc nghiên cứu phải cân bằng giữa chất lƣợng hệ thống và tính phức tạp của
phƣơng pháp.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:
Tính chọn lọc thời gian, chọn lọc tần số trong kênh truyền vô tuyến.
Luận văn thạc sĩ
-1-
HVTH: Nguyễn Quang Sang
I. Mở đầu
GVHD: TS. Hồ Văn Khƣơng
TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo
Nguyên nhân và hậu quả của fading chọn lọc thời gian, fading chọn lọc tần
số.
Ảnh hƣởng của fading kết hợp giữa chọn lọc thời gian và chọn lọc tần số lên
hệ thống OFDM.
Các kỹ thuật tách sóng trong hệ thống OFDM.
Các kỹ thuật mơ phỏng và phân tích chất luợng hệ thống theo SER.
Phƣơng pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu các công trình, bài báo khoa học để nắm bắt đƣợc những vấn đề,
khía cạnh chƣa rõ.
Đi sâu vào tìm hiểu, chứng minh các biểu thức dƣới dạng toán học trong các
bài báo.
Phân tích các biểu thức để chứng minh các vấn đề lý thuyết đã nghiên cứu,
đồng thời rút ra đƣợc mối liên hệ tƣơng ứng giữa các hệ số trong biểu thức với
các tính chất của kênh truyền, hệ thống, ...
Thay đổi các thông số ấy sẽ ảnh hƣởng nhƣ thế nào đến chất lƣợng hệ thống?
Có thể trả lời dựa vào kết quả mô phỏng bằng Matlab hoặc dựa vào biểu thức
toán học.
Nghiên cứu các đặc điểm đặc trƣng của từng kỹ thuật tách sóng, từ đó lựa
chọn kỹ thuật phù hợp với hệ thống đang khảo sát, nhằm đảm bảo sự cân bằng
giữa chất lƣợng và độ phức tạp thực hiện.
Mô phỏng và so sánh khả năng cải thiện chất lƣợng hệ thống của các kỹ thuật
tách sóng.
Ý Nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Luận văn nghiên cứu về các thông số hệ thống, thông số kênh truyền ảnh hƣởng
nhƣ thế nào đến hệ thống OFDM hoạt động trong môi trƣờng kênh truyền bị tác
động fading vừa chọn lọc tần số vừa chọn lọc thời gian. Đồng thời, phân tích các kỹ
thuật tách sóng áp dụng vào việc ƣớc lƣợng tín hiệu phát tại đầu thu. Việc nghiên
cứu này giúp ta lựa chọn đƣợc các thông số phù hợp với đặc tính hiện tại của mơi
Luận văn thạc sĩ
-2-
HVTH: Nguyễn Quang Sang
I. Mở đầu
GVHD: TS. Hồ Văn Khƣơng
TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo
trƣờng truyền, cũng nhƣ lựa chọn đƣợc phƣơng pháp tách sóng phù hợp nhằm nâng
cao chất lƣợng hệ thống mà vẫn đảm bảo độ phức tạp thực hiện hợp lý. Vì thế, đề
tài này có tính ứng dụng thực tiễn cao, các chuẩn và công nghệ không dây hiện nay
sử dụng kỹ thuật OFDM:
IEEE 802.11a, g, j, n (Wifi) Wireless LANs.
IEEE 802.15a Ultra Wideband (UWB) Wireless PAN.
IEEE 802.16d, e (WiMAX), WiBro, và HiperMAN Wireless MANs.
IEEE 802.20 Mobile Broadband Wireless Access (MBWA).
DVB (Digital Video Broadcast) terrestrial TV systems: DVB-T, DVB-H, TDMB và ISDB-T.
3GPP UMTS , 3GPP LTE, 4G
Bố cục luận văn
Luận văn bao gồm 5 chƣơng:
Chƣơng 1 - Kênh truyền vô tuyến : Tổng quan về các nguyên nhân và ảnh hƣởng
của fading, đƣa rác khái niệm về fading chọn lọc kép.
Chƣơng 2 – Hệ thống OFDM trong môi trƣờng fading chọn lọc kép: Khái quát về
kỹ thuật OFDM, phân tích ảnh hƣởng của fading chọn lọc kép đến hệ thống OFDM.
Đồng thời đƣa ra mơ hình cần khảo sát trong luận văn này và phân tích biểu thức tín
hiệu ở đầu thu ở dạng toán học.
Chƣơng 3 – Các kỹ thuật tách sóng: Tập trung vào phân tích xác suất lỗi ký tự của
hệ thống sử dụng kỹ thuật tách sóng ZF. Phân tích so sánh khả năng làm giảm nhiễu
của tín hiệu sau tách sóng giữa kỹ thuật ZF và MMSE.
Chƣơng 4 – Mô phỏng và đánh giá kết quả: So sánh sự chính xác của kết quả mơ
phỏng thơng qua vẽ SER phân tích ở chƣơng 3 và SER dùng mô phỏng. Đánh giá
sự ảnh hƣởng của các thơng số đến chất lƣợng hệ thống, từ đó rút ra nhận xét và
đƣa ra hƣớng chọn thông số và kỹ thuật tách sóng phù hợp.
Chƣơng 5 – Kết luận và hƣớng phát triển của đề tài.
Luận văn thạc sĩ
-3-
HVTH: Nguyễn Quang Sang
Chƣơng 1: Kênh truyền vô tuyến
GVHD: TS. Hồ Văn Khƣơng
TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo
II. NỘI DUNG
CHƢƠNG 1: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
1.1.
Giới thiệu chƣơng
Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, tín hiệu phát lan truyền theo nhiều đƣờng từ
máy phát đến máy thu, có thể do sự phản xạ của các sóng vơ tuyến từ những tồ nhà
xung quanh hay các chƣớng ngại vật khác, đƣợc gọi là sự lan truyền đa đƣờng. Mỗi
đƣờng có mối quan hệ khác nhau giữa trãi trễ đa đƣờng và các sự suy giảm biên độ,
khi tổng hợp tại máy thu, kết quả là có sự suy giảm khơng giống nhau của các thành
phần tần số khác nhau và/hoặc sự thay đổi về pha. Đây là fading chọn lọc tần số.
Những đặc tính quan trọng khác liên quan đến sự di chuyển tƣơng đối giữa máy
phát và máy thu, hoặc một số đặc tính thay đổi thời gian của môi trƣờng lan truyền
là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi thời gian của kênh truyền, có nghĩa là dẫn tới sự
thay đổi về thời gian và sự suy giảm các các thành phần trong mỗi đƣờng. Đây là
fading thay đổi theo thời gian hay fading chọn lọc thời gian.
Từ đó, khái niệm fading chọn lọc kép ra đời, hệ thống OFDM hoạt động trong mơi
trƣờng fading chọn lọc kép (sẽ đƣợc trình bày ở chƣơng 2), có nghĩa là tín hiệu phát
OFDM sẽ bị tác động bởi fading chọn lọc tần số đồng thời với fading chọn lọc thời
gian do kênh truyền gây ra.
1.2.
Định nghĩa fading
Nếu đƣờng truyền vơ tuyến từ phía phát đến phía thu có chƣớng ngại vật thì ta sẽ
gặp hiệu ứng fading. Trong trƣờng hợp này, tín hiệu sẽ đến nơi thu từ nhiều đƣờng
khác nhau, mỗi đƣờng là một bản sao của tín hiệu gốc. Tín hiệu trên mỗi đƣờng này
có trải trễ khác nhau khơng đáng kể và độ lợi cũng khác nhau không đáng kể. Sự
trải trễ này làm cho tín hiệu từ mỗi đƣờng bị dịch pha so với tín hiệu gốc và ở phía
thu sẽ tổng hợp các tín hiệu từ các đƣờng này dẫn đến tín hiệu thu đƣợc tổng cộng
sẽ bị suy biến (degraded).
Luận văn thạc sĩ
-4-
HVTH: Nguyễn Quang Sang
Chƣơng 1: Kênh truyền vô tuyến
GVHD: TS. Hồ Văn Khƣơng
TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo
Hình 1.1: Hiện tượng fading xảy ra do ảnh hưởng của địa hình và chướng ngại vật.
K -1
hc (t ) ak (t - k )
(1.1)
k 0
với:
+ hc(t) : Độ lợi tổng hợp của kênh truyền tại thời điểm t.
+ ak
: Độ lợi đƣờng thứ k.
+ k
: Độ trễ truyền dẫn đƣợc chuẩn hóa tƣơng ứng với đƣờng thứ k.
+ 0
: Độ trễ truyền dẫn đƣợc chuẩn hóa tƣơng ứng với đƣờng truyền
thẳng LOS (Light Of Sight).
+ k k 0 : Độ lệch thời gian giữa đƣờng thứ k so với đƣờng LOS.
Trong fading, những tín hiệu phản xạ bị trễ đƣợc cộng vào tín hiệu chính, làm cho
hoặc là tăng cƣờng độ mạnh của tín hiệu hoặc là fading sâu (deep fading). Khi xảy
ra fading sâu thì gần nhƣ tín hiệu bị mất, mức tín hiệu quá nhỏ để bộ thu có thể
nhận biết dữ liệu thu đƣợc là gì.
Luận văn thạc sĩ
-5-
HVTH: Nguyễn Quang Sang
Chƣơng 1: Kênh truyền vô tuyến
GVHD: TS. Hồ Văn Khƣơng
TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo
Hình 1.2: Tín hiệu phản xạ đến phía thu bị trễ gây can nhiễu
đến tín hiệu chính (LOS).
Độ trải trễ cực đại đƣợc xem nhƣ là độ trải trễ của tín hiệu trong mơi trƣờng. Độ trải
trễ này có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn thời gian ký tự. Trong cả hai trƣờng hợp đều
gây ra những suy biến (degradation) tín hiệu khác nhau. Độ trải trễ của tín hiệu thay
đổi khi mơi trƣờng thay đổi.
Hình 1.3 – (a) Fading phẳng (b) Fading chọn lọc tần số (c) Với truyền dẫn OFDM
thì dữ liệu truyền trong nhiều sóng mang con, nên tần số bị fading thì chỉ
một tập hợp nhỏ dữ liệu bị mất.
Luận văn thạc sĩ
-6-
HVTH: Nguyễn Quang Sang
Chƣơng 1: Kênh truyền vô tuyến
GVHD: TS. Hồ Văn Khƣơng
TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo
Hình 1.2 cho thấy phổ của tín hiệu, đƣờng đen đậm là đáp ứng của kênh truyền. Có
thể tƣởng tƣợng đáp ứng kênh truyền nhƣ một cánh cửa để cho tín hiệu có thể
truyền qua. Nếu cánh cửa đủ lớn thì tín hiệu truyền qua mà khơng bị uốn cong hay
méo dạng. Đáp ứng kênh truyền fading đƣợc mơ tả ở hình 1.3b, ta chú ý rằng tại
một vài tần số trong dải tần thì kênh truyền sẽ khơng cho phép truyền thơng tin qua,
vì thế những tần số này đƣợc gọi là tần số fading sâu (deep fading frequency). Dạng
đáp ứng tần số kênh truyền này đƣợc gọi là fading chọn lọc tần số (frequency
selective fading) bởi vì nó khơng xảy ra đều trên tồn dải tần mà chỉ xảy ở một vài
tần số mà kênh truyền chọn lọc. Nếu kênh truyền thay đổi thì đáp ứng của nó cũng
thay đổi theo.
Rayleigh fading là một thuật ngữ đƣợc dùng khi khơng có thành phần tín hiệu
truyền thẳng từ nơi phát đến nơi thu (Light Of Sight) và tất cả tín hiệu đến đều là tín
hiệu phản xạ. Loại mơi trƣờng này đƣợc gọi là Rayleigh fading.
Nhìn chung khi thời gian trễ nhỏ hơn thời gian một ký tự ta có kênh truyền fading
phẳng (flat fading channel). Khi thời gian trải trễ lớn hơn thời gian một ký tự thì
kênh truyền này gọi là kênh truyền chọn lọc tần số.
Tín hiệu OFDM có thuận lợi khi truyền trong kênh truyền chọn lọc tần số. Khi gặp
fading thì chỉ một vài sóng mang con bị ảnh hƣởng cịn các sóng mang khác thì
hồn tồn khơng bị ảnh hƣởng gì. Thay vì mất tồn ký tự thì sẽ chỉ mất một tập hợp
nhỏ của (1/N) bit. Nếu ta sử dụng mã hóa ở chuỗi bit phát thì tại bộ thu có thể sửa
đƣợc các bit sai.
1.3.
Hiện tƣợng Multipath
Tín hiệu RF truyền qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian, va chạm
vào các vật cản phân tán rải rác trên đƣờng nhƣ xe cộ, nhà cửa, sông, núi, … gây ra
các hiện tƣợng sau:
Phản xạ (Reflection): khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng.
Luận văn thạc sĩ
-7-
HVTH: Nguyễn Quang Sang
Chƣơng 1: Kênh truyền vô tuyến
GVHD: TS. Hồ Văn Khƣơng
TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo
Hình 1.4: Hiện tượng phản xạ.
Tán xạ (Scaterring): khi sóng đập vào các bề mặt khơng bằng phẳng và các
vật này có chiều dài so sánh đƣợc với chiều dài bƣớc sóng.
Hình 1.5: Hiện tượng tán xạ.
Nhiễu xạ (diffraction): khi sóng va chạm với các vật có kích thƣớc lớn hơn
nhiều so với chiều dài bƣớc sóng.
Hình 1.6: Hiện tượng nhiễu xạ
Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số các bản sao tín hiệu, một số bản
sao này sẽ tới đƣợc máy thu. Do các bản sao này phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các
vật khác nhau và theo các đƣờng dài ngắn khác nhau nên:
Thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là độ trễ pha
giữa các thành phần này là khác nhau.
Các bản sao sẽ suy hao khác nhau, tức là các biên độ giữa các thành phần này
là khác nhau.
Luận văn thạc sĩ
-8-
HVTH: Nguyễn Quang Sang
Chƣơng 1: Kênh truyền vô tuyến
GVHD: TS. Hồ Văn Khƣơng
TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo
Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và pha
của các bản sao:
Tín hiệu thu đƣợc tăng cƣờng hay cộng tích cực (constructive addition) khi
các bản sao đồng pha.
Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực (destructive addition) khi các bản
sao ngƣợc pha.
Tùy theo đáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần số
(frequency selective fading channel) hay kênh truyền phẳng (frequency nonselective
fading channel hay flat fading channel), kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading
channel) hay biến đổi chậm (slow fading channel). Tùy theo đƣờng bao của tín hiệu
sau khi qua kênh truyền có phân bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice
mà ta có kênh truyền Rayleigh hay Ricean.
1.4.
Đáp ứng xung của kênh truyền bất biến theo thời gian (timeinvariant channel impulse)
1.4.1. Khái niệm về kênh truyền bất biến theo thời gian
Kênh truyền bất biến theo thời gian là kênh truyền trong trƣờng hợp khơng có sự
chuyển động tƣơng đối giữa máy phát và máy thu. Đối với kênh này, cả đáp ứng
xung và hàm truyền đạt của nó đều bất biến theo thời gian.
1.4.2. Khái niệm về đáp ứng xung của kênh truyền (channel impulse response)
Đáp ứng xung của kênh là một dãy xung thu đƣợc ở máy thu khi máy phát phát đi
một xung cực ngắn gọi là xung Dirac (t ) (Dirac impulse).
Định nghĩa của xung Dirac:
Xung (t ) đƣợc định nghĩa là xung Dirac nếu nó thỏa mãn hai điều kiện sau:
, t 0
0, t 0
(t )
Luận văn thạc sĩ
-9-
(1.2)
HVTH: Nguyễn Quang Sang
Chƣơng 1: Kênh truyền vô tuyến
GVHD: TS. Hồ Văn Khƣơng
TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo
(t )dt 1
và
(1.3)
Với định nghĩa của xung Dirac, đáp ứng xung của kênh truyền bất biến theo thời
gian về mặt toán học đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
L
L
l 1
l 1
h( ) al e j 2 fc l ( l ) hl . ( l )
(1.4)
với:
+ h ( ) : Đáp ứng xung của kênh.
+ l
: Chỉ số của tuyến truyền dẫn.
+
: Biến trễ truyền dẫn.
+
1.5.
l
: Trễ truyền dẫn tƣơng ứng với tuyến l.
+ fc
: Tần số trung tâm của sóng đƣợc điều chế.
+ al
: Hệ số suy hao.
+ L
: Số tuyến truyền dẫn.
Hàm truyền đạt của kênh truyền bất biến theo thời gian (timeinvariant channel transfer function)
Hàm truyền đạt của kênh truyền là:
H ( )
h( )e
j
L
d hl e j l
(1.5)
l 1
Dựa vào hàm truyền đạt của kênh truyền ta có thể nhận biết đƣợc ở vùng tần số nào
tín hiệu bị suy hao tƣơng ứng với độ fading sâu (deep fading), hoặc ở vùng tần số
nào tín hiệu ít bị suy hao. Thực chất hầu hết các hệ thống truyền dẫn băng rộng
trong môi trƣờng truyền dẫn phân tập đa đƣờng đều có fading ở miền tần số. Mức
độ fading phụ thuộc vào trễ truyền dẫn của kênh và bề rộng băng tần tín hiệu.
Luận văn thạc sĩ
-10-
HVTH: Nguyễn Quang Sang
Chƣơng 1: Kênh truyền vô tuyến
1.6.
GVHD: TS. Hồ Văn Khƣơng
TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo
Kênh truyền thay đổi theo thời gian (time-variant channel)
Hình 1.7: Tín hiệu tới phía thu theo L đường.
Tín hiệu tại máy thu là tổng các thành phần tín hiệu đến từ L đƣờng khác nhau nhƣ
hình 1.7 (chƣa tính đến nhiễu) có dạng:
L
y (t ) al x(t l )
(1.6)
l 1
với:
+ al al l (t ) : Hệ số suy hao có giá trị phức (suy hao biên độ và xoay
pha).
+ l l (t )
: Thời gian trễ có giá trị thực.
Tín hiệu tại máy thu cịn có thể tính nhƣ sau:
y (t )
x(t ).h(t , )d x(t ) * h(t, )
(1.7)
với h(t , ) là đáp ứng xung của kênh truyền thay đổi theo thời gian với độ trễ l và
độ suy giảm al thay đổi theo thời gian
Luận văn thạc sĩ
-11-
HVTH: Nguyễn Quang Sang
