Giải pháp ước lượng thích nghi kết hợp bộ cân bằng miền thời gian trong hệ thống OFDM theo tiêu chuẩn wimax di động

Giới thiệu

Giới thiệu về hệ thống WiMAX và mục tiêu của đề tài

Chương 2 :Kỹ thuật điều chế OFDM

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về các kỹ thuật trong OFDM, nêu rõ ưu và nhược điểm của hệ thống sử dụng kỹ thuật này Đồng thời, chương cũng trình bày các đặc tính của kênh truyền, bao gồm các hiệu ứng ảnh hưởng đến kênh truyền và các mô hình thống kê trong kênh truyền Fading.

Chương 3: Hệ thống ước lượng kênh truyền cho Wimax di động

Việc sử dụng hệ thống ước lượng đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ chính xác của các dự đoán Các phương pháp chèn Pilot giúp tối ưu hóa quá trình ước lượng, trong khi các phương pháp ước lượng dành cho Pilot dạng lược mang lại hiệu quả cao trong việc xử lý dữ liệu Bên cạnh đó, các phương pháp nội suy cũng góp phần quan trọng trong việc nâng cao chất lượng của các ước lượng, đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy trong các ứng dụng thực tiễn.

Chương 4: Ứng dụng bộ lọc Unscented Kalman vào ước lượng kênh truyền trong hệ thống WiMAX di động

Chương này giới thiệu hai bộ lọc đã được sử dụng trước đây là Bộ lọc Kalman (KF) và Bộ lọc Kalman Mở Rộng (EKF) Từ đó, chúng tôi sẽ tập trung vào việc phát triển một thuật toán ước lượng mới, đó là Bộ lọc Kalman Không Mùi (UKF), dành cho loại phi công dạng lược và đánh giá độ chính xác của thuật toán này.

Chương 5 : Mô 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

Bài viết phân tích hiệu suất của ba thuật toán lọc trong họ Kalman, bao gồm Kalman Filter (KF) và Extended Kalman Filter (EKF), dưới các kiểu điều chế và mô hình kênh truyền theo tiêu chuẩn Mobile WiMAX Kết quả cho thấy phương pháp ước lượng bằng Unscented Kalman Filter (UKF) có nhiều ưu điểm vượt trội so với KF và EKF trong một số mô hình nhất định.

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

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM 2

2.2.1.Giới thiệu về kỹ thuật OFDM 2

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

2.2.3.Mô tả toán học - ứng dụng IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM 13

2.2.4.Khoảng bảo vệ (guard interval) trong kỹ thuật OFDM 15

2.2.4.2.Ứng dụng của khoảng bảo vệ 15

2.2.5.Kĩ thuật điều chế tín hiệu trong OFDM 16

2.3.Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong kỹ thuật OFDM 22

2.3.2.Các hiệu ứng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 23

2.3.2.3 Suy hao trên đường truyền 24

2.3.3.Các mô hình thống kê trong kênh truyền Fading 24

Chương 3: Hệ thống ước lượng kênh truyền cho WiMAX di động 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

3.2.3.Kỹ thuật nội suy trong ước lượng kênh truyền sử dụng chuỗi huấn luyện dạng lược ( comb pilot) 31

3.2.3.2 Nôi suy tuyến tính (linear interpolation) 32

3.2.3.3 Nội suy bậc 2 (second order) 32

3.3 Mô hình kênh truyền ITU sử dụng cho WiMAX di động 33

Chương 4: Ứng dụng bộ lọc Unscented Kalman Filter vào ước lượng kênh truyền trong hệ thống WiMAX di động 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

4.3.1 Giới thiệu về Extended Kalman Filter 43

4.3.2 Tổng quan về Extended Kalman Filter 43

4.3.2.1 Xây dựng thuật toán 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

4.4.1 Giới thiệu Unscented Kalman Filter 47

4.4.2 Tổng quan về Unscented Kalman Filter 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

Chương 5 : Mô phỏng thuật toán ước lượng Unscented Kalman cho hệ thống WiMAX di động 60

Chương 6 : Kết luận và hướng phát triển của luận văn 74

Hình 2.1 So sánh kĩ thuật sóng mang không 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 không 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: Mô 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 : Mô 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 Mô hình ước lượng Kalman cho đáp ứng xung kênh truyền 41

Hình 4.5 Sơ đồ bộ dự đoán 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 5.6: Đồ thị BER ước lượng UKF theo vận tốc ở 15dB 66

Bảng 2.1 :Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế 20

Bảng 3.1: Mô hình kênh truyền indoor 34

Bảng 3.2: Mô hình kênh truyền pedestrian 34

Bảng 3.3 Mô hình kênh truyền vehicular 35

Bảng 5.1:Thông số mô 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 5.7 Dữ liệu BER ước lượng UKF theo vận tốc ở SNRdB 66

Bảng 5.8 Dữ liệu BER ước lượng UKF theo vận tốc ở SNR dB 67

Bảng 5.12 Dữ liệu BER ước lượng UKF theo vận tốc ở SNRdB 71

Bảng 5.13 Dữ liệu BER ước lượng UKF theo vận tốc ở SNR dB 72

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT OFDM Orthogonal Frequency Devision Multiple

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineering

IFFT Inverse Fast Fourrier Transform

SNR Signal to Noise Ratio

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

HVTH: Phạm Phú Mỹ GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

Mạng di động WiMAX, một trong những công nghệ 4G tiên tiến đang được triển khai toàn cầu, được phát triển theo tiêu chuẩn IEEE 802.16e.

Hệ thống WiMAX được thiết kế nhằm giải quyết các vấn đề về đa đường và môi trường vô tuyến trong thông tin di động, tích hợp công nghệ tiên tiến như MIMO, OFDMA và AMC Việc đánh giá và ước lượng chính xác mô hình kênh truyền là rất quan trọng do sự biến đổi liên tục của môi trường thông tin di động Nhiều mô hình kênh truyền đã được đề xuất để phù hợp với thực tế, cùng với các thuật toán ước lượng kênh chịu ảnh hưởng từ nhiễu như ISI và nhiễu Gauss Để thực hiện ước lượng kênh, phương pháp sử dụng tone pilot trong mỗi ký tự OFDM được áp dụng, với kỹ thuật ước lượng kênh pilot kết hợp dạng lược và khối, nhằm đáp ứng nhu cầu cân bằng khi kênh thay đổi nhanh chóng Kỹ thuật này bao gồm các thuật toán để ước lượng kênh tại tần số pilot và nội suy kênh tại các tần số dữ liệu.

Các bộ cân bằng miền tần số phổ biến như LS (Least Square), MMSE (Minimum Mean Squared Error) và ML (Maximum Likelihood) thường không đạt hiệu quả tốt trong điều kiện fading Do đó, các bộ cân bằng thích nghi, có khả năng điều chỉnh theo điều kiện kênh truyền, được áp dụng để cải thiện hiệu suất trong những tình huống này.

Bộ lọc Kalman, đặc biệt là bộ lọc Unscented Kalman (UKF), được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong hệ thống ước lượng kênh truyền nhờ vào khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường fading Nghiên cứu này phát triển UKF kết hợp với phương pháp ước lượng dựa trên cấu trúc Pilot dạng comb, nhằm xây dựng bộ cân bằng thích nghi cho hệ thống ước lượng kênh truyền Hệ thống này được thiết kế để đáp ứng tốt trong điều kiện fading, sử dụng các tham số mô phỏng theo tiêu chuẩn WiMAX di động để phát triển hệ thống OFDM.

Kỹ thuật điều chế OFDM

Giới thiệu chương

Kỹ thuật điều chế OFDM đang trở thành một trong những phương pháp phổ biến, đặc biệt trong hệ thống WiMAX di động Mặc dù có nhiều chuẩn mới được phát triển, nhưng kỹ thuật này vẫn dựa trên nền tảng của OFDM cơ bản.

Chương này sẽ giới thiệu khái niệm cơ bản về kỹ thuật điều chế OFDM, bao gồm những ưu điểm, nhược điểm, nguyên lý điều chế và giải điều chế Kỹ thuật OFDM nổi bật với nhiều lợi ích và được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống Wimax cũng như trong các kỹ thuật truyền thông khác.

Kĩ thuật OFDM

2.2.1.Giới thiệu về kỹ thuật OFDM

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, Weisteins và Ebert đã chứng minh rằng phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM có thể thực hiện thông qua biến đổi IDFT và DFT Với sự phát triển của công nghệ kỹ thuật số, IFFT và FFT đã được áp dụng 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 đã công bố chuẩn 802.11g sử dụng công nghệ OFDM hoạt động trên băng tần 2.4GHz, đánh dấu sự phát triển của OFDM cho các hệ thống băng rộng Điều này chứng tỏ khả năng hữu ích của OFDM trong việc cải thiện hiệu suất truyền tải dữ liệu trong các hệ thống có tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) thấp.

Ngày nay, kỹ thuật OFDM kết hợp với các phương pháp mã hóa kênh và ước lượng kênh nhằm giảm thiểu lỗi trong quá trình truyền tải Do chất lượng kênh, bao gồm độ fading và tỷ số S/N, của mỗi sóng mang con có sự khác biệt, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên từng sóng mang với các mức điều chế khác nhau, được gọi là điều chế thích nghi.

(adaptive modulation) hiện đang được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN của ETSI ở Châu Âu

Kỹ thuật điều chế OFDM là một dạng đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia dữ liệu thành nhiều kênh băng hẹp trong vùng tần số sử dụng Các sóng mang con trong OFDM trực giao với nhau, cho phép phổ tín hiệu của chúng chồng lấn mà vẫn đảm bảo khả năng khôi phục tín hiệu ban đầu ở đầu thu Sự chồng lấn này giúp hệ thống OFDM đạt hiệu suất sử dụng phổ cao hơn so với các kỹ thuật điều chế truyền thống.

Số lượng sóng mang con trong hệ thống WiMAX phụ thuộc vào độ rộng kênh và mức độ nhiễu, tương ứng với kích thước FFT Chuẩn 802.16d (2004) quy định 256 sóng mang con với FFT 256 điểm, tạo nên chuẩn Fixed WiMAX với độ rộng kênh cố định Trong khi đó, chuẩn 802.16e (2005) cho phép kích thước FFT từ 512 đến 2048, tương thích với độ rộng kênh từ 5MHz đến 20MHz, hình thành chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA) nhằm duy trì khoảng thời gian không đổi của các ký hiệu và khoảng cách giữa các sóng mang.

2.2.1.3 Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM

Ngoài ưu điểm tiết kiệm băng thông kênh truyền kể trên, OFDM còn có một số ưu điểm sau đây :

Hệ thống OFDM có khả năng loại bỏ nhiễu xuyên kí hiệu (ISI) khi độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn độ trễ truyền dẫn tối đa 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 :

Việc áp dụng chuỗi bảo vệ giúp giảm thiểu hiện tượng ISI do phân tập đa đường, tuy nhiên, chuỗi bảo vệ lại không cung cấp thông tin hữu ích và chiếm một phần băng thông của đường truyền, dẫn đến hiệu suất truyền tải bị giảm.

Hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler, dịch tần và dịch thời gian do yêu cầu về tính trực giao giữa các sóng mang phụ.

( time offset) do sai số đồng bộ

- Đường bao biên độ của tín hiệu phía phát không 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 dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên các sóng mang con trực giao Việc tăng khoảng thời gian symbol cho các sóng mang con giúp giảm thiểu nhiễu do độ trải trễ đa đường Nhiễu ký tự ISI gần như được loại bỏ nhờ vào khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM, giúp tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI Kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và chồng phổ có sự khác biệt; trong kỹ thuật chồng phổ, có thể tiết kiệm khoảng 50% băng thông, nhưng cần đảm bảo các sóng mang phải trực giao với nhau để triệt tiêu nhiễu.

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang được chồng lên dữ liệu của các sóng mang lân cận, giúp tăng hiệu quả sử dụng phổ Dưới những điều kiện nhất định, việc điều chỉnh tốc độ dữ liệu trên từng sóng mang theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) có thể cải thiện đáng kể dung lượng của hệ thống OFDM.

Hình 2.1 So sánh kĩ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kĩ thuật sóng mang chồng xung (b)

OFDM là một phương thức đa sóng mang đặc biệt, cho phép chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên nhiều sóng mang phân bổ trực giao Bằng cách chuyển đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song, OFDM giúp tăng thời gian symbol, cải thiện hiệu suất truyền tải.

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 chỗ trong phát thanh thông thường, mỗi đài phát thanh sử dụng một tần số riêng biệt mà không có sự đồng bộ giữa các trạm Trong khi đó, OFDM kết hợp tín hiệu từ nhiều trạm thành một dòng dữ liệu ghép kênh đơn, sử dụng khối OFDM với nhiều sóng mang đồng bộ về thời gian và tần số, giúp kiểm soát can nhiễu giữa các sóng mang Các sóng mang trong OFDM chồng lấp nhau nhưng không gây can nhiễu (ICI) nhờ vào điều chế trực giao, trong khi FDM cần khoảng bảo vệ tần số lớn giữa các kênh để tránh can nhiễu, dẫn đến hiệu quả phổ thấp hơn Sự đóng gói trực giao của OFDM giúp giảm khoảng bảo vệ, từ đó cải thiện hiệu quả sử dụng phổ.

Sơ đồ hệ thống OFDM:

Hình 2.2 :Sơ đồ hệ thống OFDM

Trong hệ thống OFDM, dữ liệu nhị phân ban đầu được chuyển đổi thành nhiều dòng dữ liệu thấp hơn thông qua bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P) Mỗi dòng dữ liệu này được mã hóa bằng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và sắp xếp theo trình tự hỗn hợp Các symbol hỗn hợp sau đó được đưa vào khối IDFT để tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số Khoảng bảo vệ được chèn vào nhằm giảm nhiễu xuyên ký tự ISI trong môi trường truyền dẫn đa đường Tín hiệu sau đó được định dạng và chuyển đổi lên tần số cao để truyền Trong quá trình truyền, tín hiệu gặp phải các nguồn nhiễu như nhiễu trắng cộng AWGN và Fading Ở phía thu, tín hiệu tần số cao được chuyển xuống tần số thấp, và tín hiệu rời rạc được thu nhận Khoảng bảo vệ được loại bỏ, và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số qua phép biến đổi DFT bằng thuật toán FFT Tùy thuộc vào phương pháp điều chế, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh Cuối cùng, các symbol hỗn hợp thu được được sắp xếp ngược lại và giải mã, mang lại dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.

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 sử dụng nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần tốc độ thấp R/k (bit/s) Mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ bằng các chuỗi ngẫu nhiên PN với tốc độ Rc (bit/s) và sau đó được điều chế với sóng mang OFDM, truyền trên nhiều sóng mang trực giao Phương pháp này tối ưu hóa việc sử dụng băng thông kênh truyền.

Ths Nguyễn Đức Quang tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng khả năng giao thoa sóng mang

Trong công nghệ FDM truyền thống, sóng mang được lọc riêng để tránh chồng phổ, dẫn đến việc sử dụng phổ chưa hiệu quả Ngược lại, kỹ thuật OFDM cho phép chọn khoảng cách sóng mang sao cho chúng không giao thoa trong chu kỳ ký tự, giúp khôi phục tín hiệu mà không gặp hiện tượng chồng phổ hay giao thoa ký tự ISI.

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

Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong kỹ thuật OFDM

Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máy phát và máy thu, chịu ảnh hưởng của nhiều loại nhiễu như nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN), Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số và Fading nhiều tia Trong kênh truyền vô tuyến, tác động của tạp âm bên ngoài và nhiễu giao thoa rất lớn, tạo ra môi trường truyền đa đường (multipath environment) với ảnh hưởng đáng kể của Fading nhiều tia và Fading lựa chọn tần số OFDM có đặc điểm truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, cho phép phân chia băng thông gốc thành nhiều băng con đều.

Kỹ thuật OFDM do Nguyễn Đức Quang phát triển đã khắc phục hiệu quả ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số, giúp các kênh con hoạt động như các kênh fading không lựa chọn tần số Bằng cách sử dụng tiền tố lặp (CP), OFDM giảm thiểu tác động của fading nhiều tia, đồng thời đảm bảo sự đồng bộ giữa ký tự và sóng mang.

2.3.2.Các hiệu ứng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền

Trong quá trình nhận tín hiệu, tín hiệu thu bao gồm tín hiệu trực tiếp và các thành phần phản xạ Tín hiệu phản xạ đến muộn hơn do phải truyền qua khoảng cách dài hơn, dẫn đến việc năng lượng thu được trải rộng theo thời gian Sóng nhận được là sự chồng chập của các sóng từ nhiều hướng khác nhau, do hiện tượng phản xạ, khúc xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các vật thể như tòa nhà và cây cối Hiện tượng này được gọi là hiện tượng đa đường.

Khoảng trải trễ (delay spread) là sự chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ cuối cùng Trong lĩnh vực thông tin vô tuyến, trải trễ có thể dẫn đến nhiễu xuyên ký tự nếu hệ thống không có biện pháp khắc phục thích hợp.

Máy phát Tx Máy thu

Hình 2.18: Mô hình kênh truyền fading đa đường

Hệ thống truyền dẫn vô tuyến thường bị ảnh hưởng bởi dịch tần Doppler, là hiện tượng mà tần số thu được khác với tần số phát ra do sự chuyển động tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu Khoảng tần số dịch chuyển trong hiện tượng này được tính theo công thức: c f v f  0.

Khoảng tần số dịch chuyển f được xác định bởi công thức liên quan đến tần số của nguồn phát f0, vận tốc tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu v, cùng với vận tốc ánh sáng c.

2.3.2.3 Suy hao trên đường truyền

Sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến máy thu là một vấn đề quan trọng, xảy ra do hiện tượng che chắn và suy hao Để khắc phục tình trạng này, các phương pháp điều khiển công suất có thể được áp dụng nhằm cải thiện chất lượng tín hiệu truyền tải.

Do sự ảnh hưởng của các vật cản như tòa nhà cao tầng, núi và đồi, biên độ tín hiệu trên đường truyền sẽ bị suy giảm đáng kể.

Nhiễu trắng Gauss là loại nhiễu phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn, với mật độ phổ công suất đồng đều trong băng thông và tuân theo phân bố Gaussian Loại nhiễu này chủ yếu tác động dưới dạng nhiễu cộng, dẫn đến việc kênh truyền thường gặp là kênh chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN) Trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ lớn, các thành phần nhiễu khác cũng có thể được xem là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động lên từng kênh con, do đặc điểm của các loại nhiễu này đáp ứng điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng trên từng kênh con riêng lẻ.

2.3.3.Các mô hình thống kê trong kênh truyền Fading

Fading Rayleigh là hiện tượng suy giảm tín hiệu do đa đường (Multipath Signal), trong đó mức tín hiệu thu được giảm so với mức tín hiệu phát đi theo phân bố Rayleigh Phân bố fading Rayleigh có thể được hiểu là tổng hợp của hai tín hiệu phân bố Gaussian vuông góc Hàm mật độ xác suất (PDF) của phân bố fading Rayleigh được biểu diễn theo một công thức cụ thể.

Trong đó,  đại diện cho biến ngẫu nhiên của điện áp đường bao tín hiệu thu, r là giá trị của biến này, và  là giá trị trung bình quân phương của tín hiệu thu ở từng thành phần.

Trong phần Gauss, công suất trung bình theo thời gian của tín hiệu thu của từng thành phần Gauss được ký hiệu là  2 Giá trị trung bình của phân bố Rayleigh, ký hiệu là  tb, được xác định dựa trên công thức tương ứng.

Phương sai của phân bố Rayleigh,  r 2 (thể hiện thành phần công suất xoay chiều trong đường bao) được xác định như sau:

Khi tín hiệu thu có thành phần ổn định và không bị phading, đường truyền trực tiếp (Line of sight) sẽ cho thấy sự phân bố phading hẹp theo dạng phân bố Rice Trong mô hình phân bố Rice, các thành phần đa đường đến máy thu xuất hiện từ các góc khác nhau và chồng lên tín hiệu vượt trội này.

Phân bố Rice được biểu diễn như sau:

Trong đó A là biên độ đỉnh của tín hiệu vượt trội và I 0 (.)là hàm Bessel cải tiến loại một bậc 0 được xác định như sau: dt e y

) 1 ( (2.27) Phân bố Rice thường được mô tả bằng thừa số K như sau:

(2.28) Khi K tiến đến 0 thì kênh suy thoái thành kênh Rayleigh, khi K tiến đến vô hạn thì kênh chỉ có đường trực tiếp

Hệ thống ước lượng kênh truyền cho WiMAX di động

Giới thiệu chương

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một kỹ thuật phổ biến trong hệ thống thông tin vô tuyến, đặc biệt được ứng dụng trong Wimax nhờ vào nhiều ưu điểm nổi bật Kỹ thuật này chia băng thông truyền đi thành nhiều băng thông nhỏ hơn, cho phép tín hiệu được truyền song song, từ đó tăng chu kỳ symbol và giảm thiểu ảnh hưởng của ISI (Inter-Symbol Interference) Ước lượng kênh truyền hiện nay được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong hệ thống Mobile Wimax, giúp cải thiện chất lượng tín hiệu nhận được trong các môi trường như fading và nhiễu Gauss Việc áp dụng các phương pháp ước lượng kênh truyền là rất quan trọng để khôi phục dữ liệu chính xác từ tín hiệu đã truyền, đảm bảo hiệu quả trong hệ thống thông tin Wimax di động.

Chương này sẽ trình bày về hệ thống ước lượng kênh truyền, bao gồm cách sắp xếp các tín hiệu Pilot trên các sóng mang trong biểu tượng OFDM Ngoài ra, chúng tôi sẽ giới thiệu các thuật toán ước lượng và nội suy được áp dụng trong quá trình ước lượng kênh truyền.

Hệ thống ước lượng kênh truyền

3.2.1.Sơ đồ hệ thống ước lượng kênh truyền

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống ước lượng kênh truyền

Việc ước lượng kênh là rất quan trọng trước khi giải điều chế tín hiệu OFDM, do kênh vô tuyến có tính chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian trong hệ thống thông tin di động Quá trình ước lượng kênh bắt đầu bằng cách chèn Pilot (ký hiệu hoa tiêu đã biết trước) vào chuỗi dữ liệu, có thể theo dạng Block (khối) hoặc dạng Comb (lược), tùy thuộc vào thuật toán ước lượng được áp dụng.

Hệ thống OFDM ước lượng kênh dựa vào pilot được mô tả trong hình 3.1 Thông tin nhị phân ban đầu được nhóm và ánh xạ với điều chế tín hiệu Pilot được đưa vào tất cả các sóng mang theo chu kỳ nhất định hoặc chỉ một số sóng mang cụ thể Khối IDFT chuyển đổi dữ liệu có chiều dài N từ miền tần số ra tín hiệu trong miền thời gian theo công thức x(n) = IDFT{X(k)}, với n = 0, 1, 2, …, N-1.

Sau khối IDFT, khoảng bảo vệ cần phải lớn hơn trải trễ mong muốn để giảm thiểu nhiễu liên ký tự Băng thông bảo vệ này bao gồm phần lặp lại mở rộng của ký tự OFDM nhằm loại bỏ nhiễu liên sóng mang (ICI) Khoảng bảo vệ được thêm vào được mô tả bằng một phương trình cụ thể.

Với N g là chiều dài khoảng bảo vệ

Tín hiệu x f (n) được chuyển từ dạng song song sang nối tiếp qua khối P/S, sau đó đi qua kênh truyền có thể là kênh phading chọn lọc tần số và biến đổi thời gian, đồng thời bị nhiễu thêm Tại bộ thu, tín hiệu nhận được sẽ chịu ảnh hưởng từ những yếu tố này.

Với w(n) : nhiễu AWGN, h(n) : đáp ứng xung kênh truyền Đáp ứng xung kênh truyền h(n) có thể được biểu diễn :

L: chiều dài đáp ứng xung kênh truyền h l : đáp ứng xung phức của đường truyền thứ l trong kênh truyền đa đường (L đường)

D l f : độ dịch tần số Doppler của đường truyền thứ l

l : thời gian trễ của đường truyền thứ l (được chuẩn hóa bởi thời gian lấy mẫu)

Tại bộ thu, sau khi qua bộ biến đổi A/D và bộ lọc low-pass, khoảng bảo vệ được loại bỏ :

) (n y f n N g y   , n = 0, 1, …, N-1 (3.5) Sau đó, y(n) được đưa đến khối DFT :

Giả sử không có ISI, khi đó mối quan hệ giữa Y(k) và H(k) = DFT{h(n)}, I(k)

(nhiễu ICI do dịch Doppler), W(k) = DFT{w(n)} là :

Sau khi tín hiệu pilot được tách ra từ khối DFT, kênh H e (k) sẽ được ước lượng cho các kênh con trong quá trình ước lượng kênh Tiếp theo, dữ liệu truyền sẽ được ước lượng dựa trên kết quả này.

3.2.2.Cấu trúc Pilot được chèn vào dữ liệu

Dựa vào cách sắp xếp pilot, có 2 cách sắp xếp được sử dụng chủ yếu: block-type pilot, comb-type pilot

Hình 3.2 : Sắp xếp pilot dạng khối

Cách sắp xếp pilot theo dạng khối được mô tả trong hình 3.2, trong đó các OFDM symbols chứa pilot được truyền định kỳ để ước lượng kênh truyền Việc sử dụng pilot này cho phép thực hiện nội suy trong miền thời gian nhằm ước tính các kênh dọc theo trục thời gian Ký hiệu S t đại diện cho chu kỳ của pilot symbols theo miền thời gian, và để theo dõi các đặc tính kênh thay đổi theo thời gian, chu kỳ này cần thỏa mãn một bất phương trình nhất định.

Pilot dạng khối thích hợp đối với ước lượng cho kênh truyền chọn lọc tần số

Hình 3.3 : Sắp xếp pilot dạng lược

Cách sắp xếp pilot dạng lược được mô tả trong hình 3.3, trong đó mỗi OFDM symbol chứa pilot trên các sóng mang nhất định Việc sử dụng loại pilot này cho phép thực hiện nội suy trong miền tần số nhằm ước tính các kênh theo trục tần số Ký hiệu Sf biểu thị chu kỳ của tones pilot trong miền tần số, và chu kỳ này phải thỏa mãn bất phương trình cụ thể.

(3.12) σ max là trải trễ cực đại

Pilot dạng lược là phương pháp hiệu quả cho ước lượng kênh truyền fast-fading, cho thấy ưu điểm vượt trội so với pilot dạng khối Việc sử dụng chuỗi huấn luyện dạng lược đã được chứng minh là mang lại kết quả tốt hơn trong ước lượng kênh Trong kỹ thuật ước lượng kênh pilot dạng lược, N P đại diện cho số lượng tín hiệu pilot được chèn một cách đồng đều vào tín hiệu truyền X(k) theo phương trình đã nêu.

Với L là số sóng mang con và xp(m) là giá trị của sóng mang con pilot thứ m, định nghĩa { H p (k) , k = 0, 1, , N p } thể hiện đáp ứng tần số của kênh tại sóng mang con Pilot Việc ước lượng kênh tại sóng mang con Pilot được thực hiện dựa trên ước lượng LS.

Với Y P (k) và X P (k) là tín hiệu ngõ ra và ngõ vào tại sóng mang phụ thứ k

3.2.3.Kỹ thuật nội suy trong ước lượng kênh truyền sử dụng chuỗi huấn luyện dạng lược ( comb pilot)

Trong ước lượng kênh truyền dựa trên pilot dạng lược, sau khi xác định đáp ứng tần số của kênh tại các Pilot sóng mang, kỹ thuật nội suy được áp dụng để ước lượng đáp ứng tần số cho dữ liệu Việc sử dụng kỹ thuật nội suy hiệu quả là cần thiết để ước lượng kênh tại các sóng mang con dữ liệu, dựa vào thông tin từ các sóng mang con Pilot Có nhiều phương pháp nội suy khác nhau được áp dụng trong ước lượng kênh truyền, bao gồm: nearest neighbor, nội suy tuyến tính, nội suy bậc 2, nội suy lowpass và nội suy spline cubic.

Phương pháp nearest neighbor là một kỹ thuật nội suy đơn giản, trong đó giá trị của điểm nội suy được xác định dựa trên giá trị của điểm gần nhất mà không xem xét các điểm lân cận khác Thuật toán này chỉ yêu cầu tính toán khoảng cách từ điểm nội suy đến điểm gần nhất để lấy giá trị Mặc dù dễ thực hiện và phổ biến, phương pháp này thường không đạt độ chính xác cao so với các kỹ thuật nội suy khác.

3.2.3.2 Nôi suy tuyến tính (linear interpolation) Ước lượng kênh tại sóng mang dữ liệu thứ k, mL < k < (m+1)L, bằng cách sử dụng nội suy tuyến tính được xác định như sau :

3.2.3.3 Nội suy bậc 2 (second order) Ước lượng kênh nội suy bậc 2 được thực hiện theo công thức :

Để thực hiện nội suy theo phương pháp này, cần dựa vào ba điểm lân cận để suy ra điểm nội suy, dẫn đến tốc độ tính toán chậm hơn.

Nội suy lowpass được thực hiện bằng cách chèn các điểm 0 vào các giá trị gốc, là những đáp ứng kênh truyền tại các tần số pilot Tiếp theo, bộ lọc FIR đối xứng được thiết kế để dữ liệu gốc đi qua mà không bị thay đổi, đồng thời nội suy giữa các giá trị gốc nhằm tối thiểu hóa MSE (mean square error) giữa các điểm nội suy và giá trị gốc tương ứng.

Nội suy spline là một phương pháp tạo ra giá trị liên tục và mượt mà phù hợp với dữ liệu gốc, đặc biệt trong kênh truyền ước lượng tại các tần số pilot Ý tưởng chính là thay thế đa thức nội suy bậc n bằng các đa thức nội suy bậc thấp (1, 2, 3, ) trên từng đoạn [x(k), x(k+1)], với k = 0 … n – 1 Đối với nội suy spline bậc 3, hàm nội suy trên mỗi đoạn được định nghĩa là hàm bậc 3, giúp tạo ra một đường cong mượt mà hơn giữa các điểm dữ liệu.

Mô hình kênh truyền ITU sử dụng cho WiMAX di động

Các mô hình kênh truyền thông được chia thành hai loại chính: mô hình thống kê và mô hình kinh nghiệm Mô hình kinh nghiệm dựa trên dữ liệu thực tế đã được thu thập, trong khi mô hình thống kê sử dụng các phương pháp toán học để ước lượng hiệu quả của kênh truyền thông.

Two widely used channel models for WiMAX are the Stanford University Interim (SUI) model, which simulates the IEEE 802.16-2004 (fixed WiMAX) system, and the ITU (International Telecommunications Union) model, developed in accordance with ITU-R M.1225 recommendations This ITU model is utilized to simulate the IEEE 802.16e 2005 (mobile WiMAX) system.

Hệ thống WiMAX được phát triển cho công nghệ IMT-2000 và được ITU công nhận vào tháng 10/2007 Kênh truyền băng rộng ITU mô phỏng hệ thống WiMAX di động với nhiều tap, tối đa là 5 tap, mỗi tap có độ trễ và hệ số biên độ riêng Tín hiệu ngõ ra là tổng hợp của tất cả các tín hiệu bị suy hao và trễ so với tín hiệu gốc Tap đầu tiên mô tả tín hiệu LOS (Light of Site) với biên độ lớn nhất và độ trễ nhỏ nhất Ba mô hình được sử dụng để mô phỏng là mô hình trong nhà, mô hình cho người đi bộ và mô hình cho phương tiện di chuyển nhanh.

Mô hình kênh truyền ITU được áp dụng cho ba môi trường chính: trong nhà (indoor), đi bộ (pedestrian) và xe cộ (vehicular) Trong đó, mô hình kênh truyền B, dựa trên kinh nghiệm, được sử dụng để mô tả kênh truyền đa đường.

Bảng 3.1: Mô hình kênh truyền indoor

Bảng 3.2: Mô hình kênh truyền pedestrian

Bảng 3.3 Mô hình kênh truyền vehicular

Kênh truyền vô tuyến không chỉ bị ảnh hưởng bởi các mô phỏng đa đường mà còn chịu tác động từ nhiễu Gauss Việc ước lượng chính xác hàm truyền của kênh truyền trở nên phức tạp do sự tác động của nhiều yếu tố thường xuyên thay đổi, khiến cho việc nội suy kênh truyền trở nên khó khăn vì không có quy luật rõ ràng về hành vi của kênh.

Chương này trình bày kiến thức cơ bản về hệ thống ước lượng kênh truyền, bao gồm cách sử dụng và sắp xếp các tín hiệu pilot cho quá trình ước lượng Bên cạnh đó, chương cũng giới thiệu các thuật toán ước lượng và kỹ thuật nội suy kênh truyền, ứng dụng cho chuỗi huấn luyện dạng lược.

Ứng dụng bộ lọc Unscented Kalman Filter vào ước lượng kênh truyền trong hệ thống WiMAX di động

Định dạng
Số trang	88
Dung lượng	2,03 MB