Đánh giá hiệu quả phương pháp ước lượng kênh và triệt nhiễu sử dụng mô hình kênh SCM-LOS trong hệ thống MIMO-OFDM

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ MIMO - OFDM

Lịch sử phát triển

Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là phương pháp điều chế đa sóng mang cho phép phục hồi tín hiệu mặc dù các sóng mang con chồng lên nhau, nhờ đó mang lại hiệu suất phổ lớn hơn so với các kỹ thuật khác Được phát minh bởi R.W Chang vào năm 1966, OFDM đã trải qua nhiều nghiên cứu, trong đó có công trình của Weinstein và Ebert, cho thấy việc điều chế và giải điều chế OFDM sử dụng phép biến đổi IDFT và DFT Phương pháp này đã trở thành tiêu chuẩn cho các hệ thống phát thanh số DAB, DRM, truyền hình DVB-T và các hệ thống thông tin di động 4G Kỹ thuật OFDM cũng đã nâng cấp mạng băng rộng ASDL và được áp dụng trong mạng thông tin đô thị WiMax theo tiêu chuẩn IEEE.802.16a, cùng với việc sử dụng kỹ thuật MIMO và OFDMA trong các hệ thống di động 4G để cải thiện dung lượng kênh vô tuyến và phục vụ đa truy nhập.

Kỹ thuật OFDM kết hợp với các phương pháp mã kênh không gian như STBC và SFBC tạo thành hệ thống COFDM (Coded OFDM) Việc sử dụng các mã kênh này giúp chia tín hiệu thành các khối khác nhau tùy thuộc vào chất lượng kênh truyền, từ đó giảm thiểu lỗi và nhiễu trong quá trình truyền sóng Kỹ thuật điều chế thích ứng OFDM (Adaptive Modulation Technique OFDM) ra đời, cho phép ước lượng điều kiện kênh truyền dựa trên công suất tín hiệu, nhằm tối ưu hóa hiệu suất truyền tải.

Có 6 phương pháp mã hóa và mức điều chế phù hợp, trong đó kỹ thuật điều chế thích ứng được áp dụng trong hệ thống thông tin băng rộng HiperLAN/2 tại châu Âu.

Kỹ thuật MIMO (Multi Input Multi Output) là phương pháp sử dụng nhiều anten để truyền và nhận dữ liệu, xuất hiện từ những năm 1970 qua các nghiên cứu của A.R Kaye, D.A Geogre, Brandenburg và Wyner vào năm 1974.

W Van Etten năm 1975, 1976 Nhiều phương pháp đã được phát triển để cải thiện chất lượng mạng di động trong những năm 1990 trong đó nổi bật là kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA (Space Division Muliple Access) sử dụng anten định hướng hoặc anten thông minh để giao tiếp trên cùng tần số với những người dùng khác nhau ở những địa điểm khác nhau trong cùng một dải tần của trạm gốc Hệ thống SDMA sau đó được đề xuất bởi Richard Roy và Bjorn Ottersten vào năm 1991 mô ta một phương pháp nâng cao dung lượng hệ thống bằng cách sử dụng mảng anten Sau đó, vào năm 1993, Arogyaswami Paulraj và Thomas Kailath đã đề xuất kỹ thuật SDMA dựa trên kỹ thuật ghép kênh nghịch bằng cách chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn truyền trên nhiều máy phát và được thu vởi các mảng anten có vị trí nhận tín hiệu đến khác nhau Ý tưởng sử dụng đa anten thu và nhận này hiện tại đang là kỹ thuật chính của mạng WiFi tốc độ cao và mạng di động 4G hiện nay

Công nghệ MIMO đã trở thành tiêu chuẩn cho mạng LAN không dây và mạng di động 3G, 4G Từ năm 2001, Grey Raleigh và V K Jones đã phát triển chipset MIMO-OFDM cho mạng LAN không dây Đến năm 2003, IEEE thành lập nhóm nghiên cứu chuẩn LAN không dây với mục tiêu đạt dung lượng 100 Mbps.

Năm 2004, Airgo trở thành công ty tiên phong trong việc sản xuất sản phẩm ứng dụng công nghệ MIMO Đến năm 2009, chuẩn 802.11n đã nâng tốc độ truyền dữ liệu lên đến 600 Mbps nhờ vào việc sử dụng 4 luồng dữ liệu Ngoài ra, công nghệ MIMO còn được áp dụng trong hệ thống thông tin có dây, điển hình là chuẩn mạng ITU-T G.9963, cho phép truyền tín hiệu AC qua nhiều đường dây.

Kỹ thuật ghép kênh không gian trong MIMO làm cho kiến trúc máy thu trở nên phức tạp hơn Để giảm thiểu tác động của hiệu ứng đa đường do phân tập không gian của anten, kỹ thuật này được kết hợp với bộ điều chế OFDM Sự kết hợp này không chỉ giúp giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực mà còn nâng cao hiệu năng của hệ thống.

Có bảy phương pháp phân tập tín hiệu trên miền thời gian, tần số và không gian MIMO-OFDM được áp dụng trong các chuẩn di động như HSPA+ và LTE Kỹ thuật OFDMA, liên quan đến OFDM, được sử dụng để truyền tín hiệu đa đường và chống fading chọn lọc tần số của kênh truyền không dây bằng cách phân chia sóng mang con cho từng người dùng Mạng OFDMA sử dụng phân chia thời gian song công TDD để giải quyết vấn đề nút ẩn/nút hiện thông qua ngưỡng truy cập khung MAC hoặc kỹ thuật song công phân chia tần số OFDMA/FDD.

Chuẩn 4G đầu tiên được giới thiệu bởi NTT DoCoMo vào năm 2004, với công nghệ LTE dựa trên MIMO, đạt tốc độ truyền tải xuống 300 Mbps và lên 75 Mbps LTE-A được nghiên cứu và thử nghiệm trong các khu vực picocell và femtocell, với băng thông lên tới 100 MHz Chuẩn LTE cũng đã được áp dụng trong mạng UMTS và CDMA, và các dịch vụ LTE đầu tiên đã được triển khai tại Oslo và Stockholm bởi TeliaSonera vào năm 2009.

360 mạng LTE trên hơn 123 nước được triển khai với khoảng 373 triệu thiết bị kết nối.

Đặc điểm của kỹ thuật điều chế OFDM

Việc nâng cấp và tối ưu hóa thuật toán trong các hệ thống OFDM mang lại nhiều lợi ích đáng kể cho việc truyền sóng vô tuyến và thiết kế hệ thống thu phát.

- Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (ISI – InterSymbol Interference) với chuỗi bảo vệ (Guard Interval) thích hợp

Hệ thống truyền dẫn tốc độ cao được tối ưu hóa nhờ giảm thiểu ảnh hưởng của sự phân tập tần số, mang lại hiệu suất tốt hơn so với truyền dẫn đơn sóng mang.

- Cấu trúc bộ thu đơn giản

Kỹ thuật OFDM cũng có những nhược điểm cần phải cân nhắc và nghiên cứu thực tế để thiết kế hệ thống phù hợp với mục đích sử dụng:

- Đường bao biên độ của tín hiệu không bằng phẳng, gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất phía phát và thu

- Chuỗi bảo vệ làm giảm đi một phần hiệu suất truyền dẫn do làm lãng phí công suất truyền đi tín hiệu không có ích

Hệ thống trở nên nhạy cảm với hiệu ứng Doppler, dịch tần số (Frequency Offset) và dịch thời gian (Time Offset) do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ và sai số đồng bộ.

Phương pháp điều chế và kiến trúc thu phát OFDM

Điều chế đa sóng mang trực giao sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số (FDM), trong đó các sóng mang được đặt trực giao với nhau Sự trực giao này cho phép phổ tín hiệu của các sóng mang chồng lên nhau mà không ảnh hưởng đến quá trình giải điều chế tại máy thu Hình ảnh minh họa phổ tín hiệu của hệ thống sóng mang con sẽ giúp người đọc hiểu rõ hơn về cấu trúc và hoạt động của phương pháp này.

Hình 1 a) Phổ tín hiệu 1 kênh con; b) Phổ tín hiệu 5 kênh con [6]

Trong hệ thống OFDM, phổ tín hiệu của các kênh con được phân bố đều trên dải tần, với điểm cực đại của mỗi kênh nằm tại điểm không của kênh lân cận Sau khi qua bộ điều chế số, tín hiệu sẽ được biến đổi bằng IFFT để tạo ra các OFDM Symbol Việc sử dụng IFFT cho phép điều chế nhiều kênh đồng thời, điều này là một ưu điểm vượt trội so với các bộ điều chế FDM.

Hình 2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Nguyên lý hoạt động của các khối

S/P (Serial to Parallel) is a converter that transforms high-speed serial bit streams into K lower-speed parallel bit streams, where K represents the number of subcarriers in the system.

M-QAM Modulation: bộ điều chế QAM ánh xạ các cặp bit thành các tín hiệu phức trong chòm sao tín hiệu QAM Số mức điều chế M được lựa chọn tùy theo các hệ thống truyền dẫn khác nhau

Chèn sóng mang ảo trong kỹ thuật Zero Insertion giúp đảm bảo giá trị trung bình của thành phần một chiều bằng 0, đồng thời tạo ra khoảng bảo vệ tần số giữa các hệ thống thông tin Điều này nhằm giảm thiểu nhiễu giao thoa tần số (ICI - Intercarrier Interference), loại nhiễu phát sinh do sự giao thoa giữa các hệ thống có tần số gần nhau.

IFFT, hay biến đổi Fourier ngược, chuyển đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số, tạo ra các sóng mang trực giao Đây là phương pháp thực hiện nhanh chóng của biến đổi DFT.

Chèn khoảng bảo vệ chống nhiễu liên ký tự ISI là một phương pháp quan trọng để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu ISI, do hiệu ứng đa đường gây ra khi các symbol sau chèn lên các symbol trước Việc sử dụng khoảng bảo vệ giúp cải thiện độ chính xác trong quá trình truyền tải thông tin.

Độ dài của khoảng bảo vệ phụ thuộc vào kênh truyền, theo nguyên tắc sao chép một phần cuối của chuỗi tín hiệu cần truyền và ghép vào phần đầu tín hiệu.

Hình 3 Cấu tạo tín hiệu OFDM

P/S (Parallel to Serial): biến đổi song song – nối tiếp đưa chuỗi tín hiệu về dạng ban đầu để truyền đi một cách liên tục

Mixer: Bộ ghép tín hiệu với sóng mang đưa lên anten Điều chế OFDM sử dụng 2 bộ

Mixer hoạt động với hai luồng tín hiệu thực và phức từ khối P/S Hai luồng tín hiệu này được nhân với sóng mang tương ứng và sau đó được cộng lại tại đầu ra của bộ Mixer.

LPF (Low Pass Filter): Bộ lọc thông thấp đưa tín hiệu về băng tần cơ sở

Bộ biến đổi D/A (Digital to Analog) chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự, cho phép truyền tải đi xa Tín hiệu đầu ra từ bộ D/A là tín hiệu tương tự băng tần cơ sở, với độ rộng băng tần phụ thuộc vào tần số lấy mẫu Ở phía thu, quá trình biến đổi ngược lại A/D (Analog to Digital) được thực hiện để thu nhận các tín hiệu số nhằm mục đích giải mã.

Pilot Extraction, Channel Estimation: Dựa trên các ký hiệu dẫn đường, máy thu ước lượng lại kênh truyền dựa trên các thuật toán ước lượng.

Kỹ thuật đa anten thu đa anten phát MIMO

Sơ đồ truyền nhận của 1 hệ thống MIMO 2x2 được minh họa trong Hình 5:

Hình 4 Sơ đồ khối hệ thống MIMO 2x2 [6]

Kênh truyền từ anten phát 1 đến anten thu 1, kênh truyền từ anten phát 2 đến anten thu 1, kênh truyền từ anten phát 1 đến anten thu 2, và kênh truyền từ anten phát 2 đến anten thu 2 đều có vai trò quan trọng trong quá trình truyền dẫn tín hiệu Ký hiệu nhận được tại anten thu 1 và anten thu 2 phản ánh chất lượng và hiệu quả của các kênh truyền này.

Tín hiệu nhận được tại 2 anten phía thu là:

XÂY DỰNG HỆ THỐNG MIMO – OFDM

Sơ đồ khối hệ thống

Trong hệ thống MIMO – OFDM với kỹ thuật mã kênh SFBC, nhiễu có ảnh hưởng lớn đến chất lượng tín hiệu Do đó, ước lượng kênh truyền đóng vai trò quan trọng trong giải điều chế ở phía thu Bài viết này xem xét hai phương pháp nâng cao chất lượng để so sánh hiệu quả thực hiện của các thuật toán đối với chất lượng truyền dẫn tín hiệu, thông qua việc đánh giá tỷ lệ lỗi bit.

- Thuật toán nội suy, sử dụng 3 thuật toán khác nhau để ước lượng kênh truyền: Nội suy Linear, SI và Weiner-Hop

- Phương pháp SIC (Successive Interference Cancellation) để ước lượng ký hiệu ban đầu dựa trên công suất truyền của mỗi kí hiệu

Sơ đồ khối hệ thống được mô tả trong hình:

Hình 5 Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng

Chuỗi dữ liệu ban đầu được chia thành hai dòng song song và điều chế bằng bộ 64-QAM Sau đó, dữ liệu được mã hóa theo phương pháp SFBC trước khi được điều chế qua OFDM và phát lên anten Cả hai bên phát và thu đều sử dụng hai anten để truyền nhận dữ liệu.

Để ước lượng kênh truyền, cần áp dụng thuật toán nội suy ở phía thu, sau đó sử dụng các phương pháp cân bằng kênh để xác định dữ liệu ban đầu Trong quá trình điều chế và giải điều chế 64-QAM, tín hiệu được ánh xạ từ miền bit thành tín hiệu tương tự, với các điểm đặc trưng trên chòm sao tín hiệu.

Điều chế QAM (Quadrature Amplitude Modulation) kết hợp giữa điều chế biên độ và điều chế pha, với mỗi chuỗi bit tương ứng với một điểm trên mặt phẳng phức Các tín hiệu QAM có khả năng chống nhiễu tốt hơn nhờ vào việc thu có thể phân biệt dựa trên cả biên độ và pha So với các kiểu điều chế khác có cùng số mức M, các symbol trong chòm sao của QAM có sự khác biệt lớn hơn về biên độ và pha, giúp tránh tình trạng chồng lấn khi bị nhiễu.

Hình 6 Chòm sao tín hiệu 64-QAM

SFBC (Space Frequency Block Coding) là phương pháp mã hóa kênh giúp phân chia tín hiệu theo miền tần số, cho phép tách dòng dữ liệu thành hai dòng tốc độ cao.

Bộ điều chế OFDM tạo ra các tín hiệu trực giao, giúp khôi phục lại tín hiệu ở phía thu với độ chính xác cao hơn Sau khi tín hiệu được khôi phục, quá trình sắp xếp ngược sẽ diễn ra để tái tạo dữ liệu gốc Phân tích chi tiết về điều chế và giải điều chế OFDM được trình bày trong mục 2.2.

Các thông số của bộ điều chế OFDM:

- Chiều dài khoảng bảo vệ: G = 128

Băng thông của kênh truyền được xác định là 5MHz, và để ước lượng kênh, chúng ta sử dụng các thuật toán nội suy nhằm tái tạo ma trận đáp ứng xung Quá trình này dựa trên một số tín hiệu dẫn đường được chèn vào chuỗi dữ liệu Ba thuật toán nội suy chính được áp dụng bao gồm Linear, Spline và Weiner-Hop.

Khôi phục tín hiệu là quá trình sử dụng bộ cân bằng kênh MMSE (Minimum Mean Square Error) để tái tạo tín hiệu Sau khi tín hiệu X trải qua kênh truyền H và chịu ảnh hưởng của nhiễu trắng với biên độ trung bình, tín hiệu Y nhận được ở phía thu sẽ được xác định.

Bộ cân bằng kênh MMSE hoạt động dựa trên nguyên lý tối ưu hóa ma trận W nhằm giảm thiểu giá trị kỳ vọng của biểu thức {[ ∗ − ][ ∗ − ]} Ma trận W được xác định thông qua công thức cụ thể, giúp cải thiện hiệu suất trong việc xử lý tín hiệu.

Trong đó I là ma trận đơn vị

Ma trận W chính là giá trị 2 ký hiệu ở đầu vào bộ thu của 2 anten.

Mã kênh không gian miền tần số SFBC

Các tín hiệu sau khi được chuyển đổi sang dạng nối tiếp sẽ được truyền đến anten và gửi đến máy thu, với chuỗi tín hiệu được mã hóa bằng mã SFBC (Space Frequency Block Coding) SFBC là một phương pháp mã kênh không gian áp dụng trong miền tần số, trong đó các ký hiệu được phân chia theo cả không gian (vị trí của hai anten) và tần số (hai sóng mang con liền kề cho mỗi ký hiệu) Do đó, các ký tự mã hóa bằng SFBC sẽ được truyền trên các tần số khác nhau.

Có 15 anten khác nhau trong không gian, mỗi anten phát sóng mang con với tần số khác nhau Với khối dữ liệu có độ dài FFT là k, được phân phối cho n sóng mang con Tại sóng mang con thứ n và symbol thứ k, tín hiệu phát được chia thành hai vector: ( ), ( ).

Sau khi qua kênh truyền ( ) ( )

( ) ( ) , tín hiệu chịu ảnh hưởng bởi nhiễu, tín hiệu nhận được ở phía thu là , ( )

, ( ) Tương tự như việc tổng hợp tín hiệu như đã nêu trong phần Mô hình kênh ở trên Tín hiệu phía thu được xác định:

Với , ( ) là nhiễu tại ký hiệu thứ k ở sóng mang con thứ n ở anten i

Thuật toán MMSE được sử dụng để ước lượng ký tự đã phát :

Mô hình kênh SCM

Mô hình kênh không gian SCM là một mô hình tham số ngẫu nhiên, được phát triển theo tiêu chuẩn 3GPP/3GPP2 cho mạng 3G băng thông 5MHz Mô hình này được áp dụng trong ba môi trường khác nhau: đô thị lớn, đô thị nhỏ và ngoại ô.

Vùng ngoại ô là khu vực có sự kết hợp giữa các tòa nhà, rừng và đồi núi thấp, tạo thành môi trường truyền dẫn hiệu quả Anten của trạm gốc được lắp đặt ở vị trí cao, như các trạm phát sóng, giúp tối ưu hóa góc trải và giảm độ trải trễ Khoảng cách giữa các trạm gốc thường là khoảng 3km, đảm bảo tín hiệu được truyền tải ổn định và mạnh mẽ.

Vùng đô thị lớn có đặc điểm là môi trường truyền dẫn với nhiều tòa nhà cao tầng, dẫn đến hiện tượng tán xạ tín hiệu mạnh do nhiều vật cản Các trạm gốc thường được lắp đặt trên nóc các tòa nhà, với độ trải trễ và góc trải lớn Khoảng cách giữa các trạm gốc thường là 3km.

16 các dãy phố hẹp giữa các tòa nhà cao tầng sẽ có sự lệch hướng tia truyền hoặc xuất hiện những cụm tán xạ do các tòa nhà

Vùng đô thị nhỏ là môi trường truyền dẫn trong đô thị với khoảng cách giữa các trạm gốc chỉ 1km Anten phát sóng được lắp đặt trên tòa nhà cao nhất, tạo ra bán kính phủ sóng nhỏ Do đó, các thuê bao cần có tín hiệu truyền thẳng từ trạm phát sóng (BS) để đảm bảo kết nối ổn định.

Một số thông số chính so sánh giữa các môi trường truyền dẫn được đưa ra trong bảng:

Môi trường truyền dẫn Ngoại ô Đô thị lớn Đô thị nhỏ

Số đường truyền con mỗi cluster (M) 20 20 20

Suy hao do che khuất 8dB 8dB NLOS: 10dB

LOS: 4dB Trải trễ trung bình tổng cộng 0.17 às 0.65 às 0.25 às

Mô hình kênh SCM có khả năng tạo ra các bộ tham số kênh độc lập với đặc tính tương quan không gian, điều này dẫn đến khó khăn trong việc giải thích kết quả mô phỏng theo lý thuyết Sự phức tạp của mô hình SCM vượt xa so với việc thiết lập các tham số.

Mô hình kênh được xây dựng dựa trên các góc phát và góc tới cố định, với mỗi đường truyền có độ trễ tương ứng từ nhiều thành phần khác nhau Quá trình tạo ra mô hình kênh bao gồm việc phát triển các đường trễ truyền dưới dạng các đáp ứng xung, trong đó mỗi xung đại diện cho một đường truyền Mô hình SCM được thiết kế cho mạng 3G với băng thông 5MHz, áp dụng cho ba môi trường khác nhau: đô thị lớn, đô thị nhỏ và ngoại ô Dựa trên đường đi của tín hiệu trong không gian, SCM phân loại mô hình kênh cho các đường truyền LOS và NLOS.

- LOS (Line of Sight): Anten trạm thu và phát hướng trực tiếp vào nhau và không có vật cản giữa chúng

NLOS (Non-line of Sight) là tình huống xảy ra khi có vật cản giữa hai anten thu phát, dẫn đến việc không có đường truyền thẳng tối ưu Ngoài ra, NLOS cũng có thể xảy ra khi hai anten không được hướng về nhau, mặc dù không có vật cản.

Trong nội dung đồ án, em sẽ xem xém mô hình kênh SCM – LOS được minh họa trong Hình 6

Hình 7 Mô hình kênh không gian SCM [1] Đáp ứng xung của kênh được xác đinh bởi hàm ℎ ( , ):

Là đáp ứng xung truyền từ anten s đến anten u tại thời điểm t

, : pha của đường thứ m trong cluster thứ n k: số sóng , : tăng tích của anten phát và thu

M, N là số lượng sub-path và cluster

, , : góc truyền của tia tới ở sub-path m, cluster n

, , : góc tới của tia tới ở sub-path m, cluster n v: biên độ vector vận tốc di chuyển của trạm MS

: góc di chuyển của trạm MS so với phương ngang

, : khoảng cách các phần tử anten ở phía phát và thu

Trong môi trường đô thị nhỏ, mô hình SCM – LOS được xác định để phản ánh sự suy hao tín hiệu trong tầm nhìn thẳng, do xác suất biến thiên nhanh của các dạng tín hiệu trong quá trình truyền Mặc dù khoảng cách trong môi trường này thường nhỏ hơn 1km, xác suất xuất hiện đường truyền LOS lại phụ thuộc vào các yếu tố môi trường và được biểu diễn dưới dạng hàm tuyến tính.

PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH VÀ THUẬT TOÁN TRIỆT NHIỄU

Các phương pháp ước lượng kênh

3.1.1 Nội suy Linear (Linear Interpolation)

Phương pháp nội suy Linear là một kỹ thuật Curve Fitting sử dụng các hàm tuyến tính để tạo ra các điểm mới trên đồ thị từ một chuỗi rời rạc các điểm đã biết Mặc dù phương pháp này đơn giản và dễ thực hiện nhờ vào tính chất tuyến tính của các hàm, nhưng nó có thể không mô tả chính xác tín hiệu, như minh họa trong Hình 8 Nội suy Linear thường được áp dụng để ước lượng các đại lượng trong các bảng, chẳng hạn như dự đoán dân số trong một năm nhất định dựa trên số liệu của các năm lân cận Phương pháp này cũng được sử dụng phổ biến trong đồ họa máy tính và phần cứng của vi xử lý đồ họa do tính đơn giản và hiệu quả của thuật toán.

3 chiều phép nội suy này được gọi là Bilinear và Trilinear với các hàm không còn tuyến tính mà là tích của các hàm tuyến tính

Giả sử 2 điểm đã biết có tọa độ ( , ) ( , ) nội suy Linear xây dựng 1 đường thằng giữa 2 điểm này là phương trình đường thẳng theo x, y

Từ đó dễ dàng biến đổi được,

Trong phương pháp nội suy tuyến tính, hàm truyền của kênh được xác định dựa trên các tham số của các ký hiệu dẫn đường đã biết Các ký hiệu này được quy định theo độ dài dữ liệu và được thỏa thuận giữa phía phát và thu Tuy nhiên, nội suy tuyến tính không phù hợp với các mô hình kênh thực tế do sự biến đổi nhanh chóng trong miền thời gian.

Việc ước lượng có thể trở nên không chính xác do 20 gian, nhưng trong mô phỏng, phương pháp này vẫn có thể áp dụng cho các kênh không phụ thuộc thời gian.

3.1.2 Nội suy SI (Spline Interpolation)

Khác với nội suy tuyến tính, phương pháp nội suy SI xác định một hàm số bậc thấp cho mỗi cặp điểm liên tiếp trên đồ thị, giúp ước lượng chính xác hơn đáp ứng xung của tín hiệu trong các khoảng thời gian liên tiếp Hình ảnh minh họa cho thấy đường bao tín hiệu của phương pháp SI có độ mượt mà và liên tục hơn nhiều so với nội suy tuyến tính.

Thuật toán nội suy, bao gồm phương pháp tuyến tính và spline, được áp dụng trong hệ thống MIMO – OFDM như một bộ lọc thông thấp trong miền tần số Kích thước cửa sổ L được xác định bằng khoảng cách giữa các tín hiệu dẫn đường.

Giả sử ℎ( ) = 1,2, … , là các hệ số kênh của các ký hiệu OFDM, trong đó ℎ( ) ( = 1,2, … ) là hệ số kênh của các tín hiệu dẫn đường trong miền thời gian Đáp ứng xung của kênh truyền được xác định thông qua biểu thức cụ thể.

Hiệu quả và độ chính xác của thuật toán phụ thuộc vào kích thước cửa sổ; kích thước L càng nhỏ, độ chính xác trong việc ước lượng đáp ứng xung của kênh càng cao Tuy nhiên, việc này cũng dẫn đến việc hệ thống phải truyền thêm tín hiệu dẫn đường, gây lãng phí công suất cho tín hiệu không mang dữ liệu.

3.1.3 Nội suy Weiner-Hop (Weiner-Hop Interpolation)

Giả thiết rằng Ĥ là tham số kênh tại ký hiệu thứ i cho sóng mang con thứ n được ước lượng, trong khi Ĥ ′ là tham số kênh tại ký hiệu thứ i’ cho sóng mang con thứ n, với i’ là ký hiệu dẫn đường Tham số bộ lọc Weiner-Hop được xác định thông qua mối liên hệ với tham số kênh theo biểu thức: Ĥ , = , , , Ĥ ′,

Số lượng ký hiệu dẫn đường OFDM và số sóng mang con dẫn đường OFDM có ảnh hưởng đến khoảng cách về thời gian và tần số giữa các tín hiệu dẫn đường Nếu tham số kênh được xác định chính xác, sai số của thuật toán sẽ được tính toán một cách chính xác.

Xác định ma trận tự tương quan R:

Tương tự cho ma trận tương quan chéo P:

Từ đó, phương trình Weiner-Hop được xác định theo [2]:

Phương trình trên xác định các tham số của bộ lọc MMSE để từ đó ước lượng đáp ứng xung của kênh.

Thuật toán triệt nhiễu SIC

Trong hệ thống MIMO 2x2, việc truyền đồng thời hai luồng tín hiệu có thể dẫn đến va đập (collision), khiến tín hiệu mạnh nhất được giải mã trong khi các tín hiệu khác trở thành nhiễu Điều này có thể dẫn đến việc các luồng tín hiệu yếu không được giải mã nếu không đủ công suất Để khắc phục vấn đề này, thuật toán Successive Interference Cancellation (SIC) được áp dụng, cho phép giải mã tín hiệu có công suất cao nhất trước, sau đó giải mã các tín hiệu tiếp theo bằng cách trừ đi tín hiệu đã được giải mã đầu tiên Thuật toán SIC đã được giới thiệu trong tài liệu [7].

Trong khi đó công suất của tín hiệu :

Nếu > , được giải mã trước và bị coi là nhiễu, bị loại bỏ tại máy thu khi giải mã tín hiệu 2:

Khi đó ký hiệu được ước lượng theo biểu thức:

Nếu < , tương tự ký hiệu được ước lượng lại là:

Thuật toán SIC sử dụng cách lựa chọn ký hiệu được giải mã trước, giúp đảm bảo rằng sai số của ký hiệu đầu tiên nhỏ hơn các ký hiệu tiếp theo, từ đó giảm tỷ lệ lỗi ký hiệu.

Kỹ thuật SIC mang lại dung lượng kênh vượt trội so với các hệ thống giải mã tuần tự trước đây Trong một hệ thống tổng quát với K tín hiệu được tổng hợp tại máy thu, giả sử rằng |ℎ| ≥ |ℎ| ≥ giúp đơn giản hóa các phép tính.

Kênh truyền thông giữa hai anten phát và anten thu đầu tiên được xác định qua công suất của hai tín hiệu và biên độ nhiễu trắng Gaussian trung bình Dung lượng kênh của hệ thống có thể được tính theo công thức Shannon trong trường hợp không áp dụng phương pháp triệt nhiễu.

Khi áp dụng phương pháp SIC, hệ thống giải mã tín hiệu coi tất cả các tín hiệu còn lại là nhiễu, không xem xét các tín hiệu đã được giải mã trong các lần trước Do đó, dung lượng hệ thống được xác định là tổng dung lượng của tất cả các tín hiệu.

Có thể thấy rằng tín hiệu cuối cùng được giải mã chỉ xem là nhiễu:

Các hệ thống không áp dụng phương pháp SIC sẽ xem xét hai yếu tố chính: dung lượng kênh phân chia đều công suất và dung lượng kênh sử dụng thuật toán tối ưu Thuật toán tối ưu giúp xác định lượng công suất cần thiết cho mỗi tín hiệu, từ đó tối đa hóa dung lượng kênh.

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Kết quả mô phỏng

Mô phỏng trên Matlab dựa vào sơ đồ khối đã mô tả, áp dụng cho mô hình kênh SCM tầm nhìn thẳng Kết quả so sánh ba thuật toán nội suy được trình bày trong hình 8.

Hình 9 Kết quả so sánh 3 thuật toán nội suy

Trong Hình 9, với kích thước cửa sổ khác nhau, thuật toán nội suy SI cho các tỷ lệ SER khác nhau tỷ lệ nghịch với kích thước cửa sổ

Hình 10 So sánh thuật toán SI với kích thước cửa sổ thay đổi

Kết quả so sánh tỷ số SER giữa phương pháp giải mã SIC và giải mã thông thường cho thấy sự khác biệt không đáng kể, nhờ vào việc loại bỏ nhiễu trong tín hiệu thông qua chuỗi bảo vệ GI trong bộ điều chế OFDM.

Xét hệ thống MIMO 2x2, tại máy thu nhận được 2 luồng tín hiệu, từ công thức tổng quát đã trình bày ở trên Tín hiệu thứ 1 có dung lượng kênh:

Tiếp theo, tín hiệu thứ 2 được giải mã khi coi 1 là nhiễu, có dung lượng kênh:

(4.2) Kết quả mô phỏng được thể hiện trong Hình 12

Hình 11 Dung lượng kênh hệ thống sử dụng phương pháp SIC

Đánh giá kết quả

Qua các kết quả trên, có thể rút ra được một số nhận xét sau:

Kết quả mô phỏng xác nhận lý thuyết, cho thấy phép nội suy tuyến tính đạt tỷ lệ lỗi ký hiệu cao nhất Trong khi đó, phép nội suy SI tạo ra hàm phức tạp hơn, giúp giảm tỷ lệ lỗi Thuật toán Weiner-Hop mang lại hiệu suất SER tốt nhất.

Kích thước cửa sổ ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống, với việc tăng kích thước dẫn đến giảm hiệu quả giải mã do ít tín hiệu dẫn đường hơn Do đó, việc nghiên cứu cách chèn nhiều tín hiệu dẫn đường vào chuỗi ký hiệu OFDM là cần thiết để cải thiện công suất truyền tin và tối ưu hóa hệ thống.

- Bằng việc sử dụng phương pháp SIC trong giải mã tín hiệu, dung lượng kênh được cải thiện đáng kể so với cách giải mã thông thường

Hướng phát triển của đề tài

Mô hình kênh SCM trong tầm nhìn thẳng thường gặp phải hiện tượng đa đường do tín hiệu truyền theo nhiều đường khác nhau Điều này khiến cho hiệu ứng đa đường ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu Do đó, cần áp dụng các thuật toán vào mô hình kênh SCM-NLOS để đánh giá hiệu suất hệ thống và so sánh với chất lượng tín hiệu trong tầm nhìn thẳng.

Phân chia công suất trong phương pháp SIC đóng vai trò quan trọng trong thiết kế hệ thống, đặc biệt khi áp dụng cho hệ thống MIMO-NOMA Đây là một kỹ thuật tiên tiến đang được nghiên cứu hàng đầu cho mạng 5G.

Trong các hệ thống NOMA không áp dụng kỹ thuật điều chế OFDM, việc nghiên cứu các phương pháp triệt nhiễu khác trở nên cần thiết Do đó, phương pháp SIC có thể được áp dụng, vì các tín hiệu trong hệ thống này không còn trực giao và không sử dụng chuỗi bảo vệ.