So Sánh Độ Phức Tạp Giữa Kỹ Thuật Ofdm Với Điều Chế Đơn Sóng Mang

2.4.6. Ước lượng kênh

 Khái niệm

Ước lượng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation). Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường PSAM (Pilot signal assisted Modulation). Trong phương pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín hiệu đã được bên thu biết trước về pha và biên độ. Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu pilot nguyên thủy sẽ cho biết ảnh hưởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát. Ước lượng kênh có thể được phân tích trong miền thời gian và trong miền tần số. Trong miền thời gian thì các đáp ứng xung h(n) của các kênh con được ước lượng. Trong miền tần số thì các đáp ứng tần số H(k) của các kênh con được ước lượng. Có hai vấn đề chính được quan tâm khi sử dụng PSAM:

 Vấn đề thứ nhất là lựa chọn tín hiệu pilot:

Phải đảm bảo yêu cầu chống nhiễu, hạn chế tổn hao về năng lượng và băng thông khi sử dụng tín hiệu này. Với hệ thống OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot có thể được thực hiện trên giản đồ thời gian-tần số, vì vậy OFDM cho khả năng lựa chọn cao hơn so với hệ thống đơn sóng mang. Việc lựa chọn tín hiệu pilot ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu hệ thống.

Mẫu tín hiệu dẫn đường (pilot) chèn với tín hiệu có ích cả miền tần số lẫn miền thời gian.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 68 trang tài liệu này.

Khoảng cách giữa hai mẫu liên tiếp phải tuân theo qui luật lấy mẫu ở cả miền tần số lẫn miền thời gian.

 Ở miền tần số thì sự biến đổi của kênh vô tuyến phụ thuộc vào thời gian trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh.

Df f 

s max

Trong đó: Df là khoảng cách tần số giữa hai mẫu liên tiếp

max

là thời gian trải trễ lớn nhất

 Ở miền thời gian thì sự biến đổi của hàm truyền phụ thuộc vào tần số Doppler.

Dt 2 f

(T T )

D max S G

Trong đó: fDmax là tần số Doppler lớn nhất

TS là chu kì có ích của tín hiệu OFDM TG là độ dài của khoảng bảo vệ

Mẫu tín hiệu có ích Mẫu tín hiệu dẫn đường

Hình 2.8: Tín hiệu Pilot trong miền thời gian và tần số

Hình 2.9: Tín hiệu pilot trong miền tần số

 Vấn đề thứ hai là việc thiết kế bộ ước lượng kênh:

Phải giảm được độ phức tạp của thiết bị trong khi vẫn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu. Yêu cầu về tốc độ thông tin cao (tức là thời gian xử lý giảm) và các chỉ tiêu hệ thống là hai yêu cầu ngược nhau. Chẳng hạn, bộ ước lượng kênh tuyến tính tối ưu (theo nguyên lý bình phương lỗi nhỏ nhất-MMSE) là bộ lọc Wiener hai chiều (2D-

Wiener filter) có chỉ tiêu kỹ thuật rất cao nhưng cũng rất phức tạp. Vì vậy, khi thiết kế cần phải dung hòa hai yêu cầu trên.

 Chú ý:

 Nếu sử dụng phép điều chế vi sai kết hợp FFT thì không cần ước lượng kênh.

 Ngoài các kỹ thuật cơ bản cần phải có ở trên trong hệ thống OFDM thì để nâng cao chất lượng hơn nữa người ta còn thực hiện đồng bộ trong OFDM; giảm PAPR (tỉ số công suất đỉnh trung bình) lớn.

2.5. SO SÁNH ĐỘ PHỨC TẠP GIỮA KỸ THUẬT OFDM VỚI ĐIỀU CHẾ ĐƠN SÓNG MANG

Một trong những lý do chính để sử dụng OFDM là khả năng giải quyết vấn đề delay spread với một độ phức tạp hợp lý. Trong hệ thống đơn sóng mang (single carrier), độ phức tạp của hệ thống được quyết định bởi bộ cân bằng (equalizer), hệ thống phải lắp đặt các bộ cân bằng khi delay spread lớn hơn 10% chu kỳ symbol. OFDM không đòi hỏi phải có bộ cân bằng. Thay vào đó, độ phức tạp của một hệ thống OFDM bị chi phối bởi bộ biến đổi FFT dùng để giải điều chế các subcarrier. Các ví dụ sau đây sẽ chứng tỏ độ phức tạp của modem OFDM ít hơn đáng kể so với modem dùng trong hệ thống đơn sóng mang trong trường hợp cả hai cùng giải quyết một lượng delay spread như nhau. Chú ý rằng, một số bài báo đề cập đến việc sử dụng 1 bộ single-tap equalizer để sửa pha trong trường hợp sử dụng bộ thu OFDM kết hợp. Chúng ta sẽ không sử dụng thuật ngữ này bởi vì thuật ngữ “equalization” có ý muốn nói đến một nỗ lực được thực hiện để nghịch đảo (invert) kênh truyền (tìm ra một bộ lọc nghịch đảo, invert filter, để bù cho hiện tượng ISI, mục đích làm cho các tín hiệu đa đường - multipath signal, bị dịch đi và đến đúng thời điểm, thay vì bị trải ra). Trong khi đó, bộ thu OFDM thực hiện ngược lại, các subcarrier bị suy yếu không được khuếch đại thêm để cân bằng kênh truyền nhưng thay vào đó các subcarrier đó sẽ mang ít thông tin hơn. Theo cách này, OFDM sẽ tránh được vấn đề thường mắc phải trong kỹ thuật cân bằng tuyến tính là nhiễu tăng lên.

Rõ ràng OFDM hấp dẫn hơn so với hệ thống đơn sóng mang với bộ cân bằng cho các tích số dải thông - delay spread lớn. Nên chú ý rằng, sự khác biệt về mức độ phức tạp giữa FFT và bộ cân bằng sẽ giảm nếu việc cân bằng được thực hiện trong miền tần số. Trong trường hợp này, việc cân bằng sẽ phức tạp hơn gấp 2 lần vì cả hai

FFT và IFFT phải thực hiện việc cân bằng trong miền tần số cho một khối tín hiệu. Một lợi ích khác về mức độ phức tạp của OFDM là FFT không thật sự đòi hỏi các phép nhân đầy đủ, nhưng thay vào đó là các phép xoay pha. Điều này có thể thực hiện một cách hiệu quả bởi thuật toán CORDIC. Bởi vì sự xoay pha không làm thay đổi biên độ, tức chúng không làm thay đổi dải động của tín hiệu, do đó làm đơn giản hóa việc thiết kế điểm làm việc.

Ngoài mức độ phức tạp, OFDM còn có một lợi ích khác so với hệ thống đơn sóng mang với bộ cân bằng. Đối với hệ thống đơn sóng mang, chất lượng hệ thống sẽ giảm một cách nhanh chóng nếu delay spread vượt quá khả năng cho phép của bộ cân bằng. Bởi vì việc truyền dẫn bị lỗi, xác suất lỗi bit thô (chưa xử lý) tăng nhanh đến nổi việc áp dụng các phương pháp mã hóa tỉ lệ thấp hơn hoặc kích thước chòm sao thấp hơn không cải thiện đáng kể chất lượng hệ thống. Tuy nhiên, đối với OFDM, không có hiệu ứng phi tuyến xảy ra khi việc truyền dẫn bị lỗi. Do đó, các phương pháp mã hóa và các chòm sao có kích thước thấp hơn có thể được sử dụng để cải thiện chất lượng hệ thống. Đây là một vấn đề quan trọng bởi vì nó giúp tăng diện tích hoạt động của hệ thống (coverage-area) và tránh được các tình huống các user trong các vị trí xấu (bad spot) không thể kết nối.

2.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG

Kỹ thuật OFDM hạn chế nhiễu, tiết kiệm băng thông trong truyền thông tin di động. Mặc dù có vài khuyết điểm nhưng đã được khắc phục như được trình bày ở phần trên. Nên kỹ thuật này được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống Wimax, Vowifi, trong các tiêu chuẩn IEEE. Kỹ thuật này sẽ là cở sở cho các thế hệ di động thứ 3, thứ 4 và các thế hệ khác trong tương lai.

CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT MIMO

3.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MIMO

Kỹ thuật MIMO (Multiple input Multiple output) là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để truyền dữ liệu.

Hình 3.1: Hình ảnh trực quan của một hệ thống MIMO

Anten phát

Anten thu

dữ liệu

vào

Bộ chuyển

đổi MIMO

Hij

Bộ giải chuyển

đổi MIMO

dữ liệu

Hij là hệ số đặc tính kênh truyền, truyền từ anten j đến anten i Hình 3.2: Mô hình một hệ thống MIMO tổng quát

Các kỹ thuật MIMO thường gặp: phân tập theo không gian, phân tập theo thời gian, phân tập theo tần số, mã hóa khối không gian_thời gian, mã hoá lưới không gian_thời gian, ghép kênh không gian.

3.1.1. Ưu điểm của kỹ thuật MIMO

 Tăng độ lợi mảng, làm tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu, từ đó làm tăng khoảng cách truyền dẫn mà không cần tăng công suất phát.

 Tăng độ lợi phân tập: làm giảm hiện tượng fading thông qua việc sử dụng hệ thống anten phân tập, nâng cao chất lượng hệ thống.

 Tăng hiệu quả phổ: bằng cách sử dụng ghép kênh không gian

 Tăng dung lượng kênh mà không cần tăng công suất phát và băng thông

 Có hiệu suất sử dụng phổ tần cao đáp ứng được nhu cầu về dung lượng

 Khắc phục được nhược điểm của truyền đa đường để tăng dung lượng và chất lượng truyền dẫn.

 Trong các hệ thống MIMO, phađinh ngẫu nhiên và trải trễ có thể được sử dụng để tăng thông lượng.

3.1.2. Nhược điểm của hệ thống MIMO

 Kích thước của thiết bị di động tăng lên

 Nhiễu đồng kênh: do sử dụng nhiều anten truyền dữ liệu với cùng một băng tần

 Nhiễu liên kênh: do nhiều người dùng sử dụng cùng hệ thống MIMO

 Hệ thống MIMO chứa nhiều anten dẫn đến: tăng độ phức tạp, thể tích, giá thành phần cứng, tăng độ phức tạp trong xử lí tín hiệu phát và thu.

 Vì điều kiện kênh phụ thuộc vào môi trường vô tuyến nên không phải bao giờ hệ thống MIMO cũng có lợi.

 Khi tồn tại đường truyền thẳng (LOS), cường độ trường LOS cao hơn tại máy thu sẽ dẫn đến hiệu năng cũng như dung lượng của hệ thống SISO tốt hơn, trong khi đó dung lượng của hệ thống MIMO lại giảm. Lý do vì các đóng góp mạnh của LOS dẫn đến tương quan giữa các anten mạnh hơn và điều này làm giảm ưu điểm sử dụng hệ thống MIMO.

3.2. ĐỘ LỢI TRONG HỆ THỐNG MIMO

 Độ lợi beamforming - Kỹ thuật hướng búp sóng

Beamforming giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh được can nhiễu tới từ các hướng không mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống. Để có thể thực hiện Beamforming, khoảng cách giữa các anten trong

hệ thống MIMO thường nhỏ hơn bước sóng (thông thường là / 2 ), Beamforming

thường được thực hiện trong môi trường ít tán xạ. Khi môi trường tán xạ mạnh hệ thống MIMO có thể cung cấp độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập.

Hình 3.3: Kỹ thuật Beamforming

 Độ lợi ghép kênh không gian (spatial multiplexing)

T X

Hình 3.4: Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền

Tận dụng các kênh truyền song song có được từ đa anten tại phía phát và phía thu trong hệ thống MIMO, các tín hiệu sẽ được phát độc lập và đồng thời ra các anten (hình 3.4), nhằm tăng dung lượng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thông hệ thống. Dung lượng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số các kênh truyền song song trong hệ thống. Để cực đại độ lợi ghép kênh qua đó cực đại dung lượng kênh truyền thuật toán V-BLAST (Vertical- Bell Laboratories Layered Space- Time) được áp dụng.

 Độ lợi phân tập không gian (spatial diversity)

T X

Hình 3.5: Phân tập không gian giúp cải thiện SNR

Trong truyền dẫn vô tuyến, mức tín hiệu luôn thay đổi, bị Fading liên tục theo không gian, thời gian và tần số khiến cho tín hiệu tại nơi thu không ổn định, việc phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyền Fading khác nhau (hình 3.5), bộ thu có thể lựa chọn hay kết hợp hay kết hợp các bản sao tín hiệu này để giảm thiểu tốc độ sai bit BER, chống Fading qua đó tăng độ tin cậy của hệ thống. Để cực đại độ lợi phân tập, giảm BER và chống lại Fading, thuật toán STBC (Space-Time Block Code) và STTC (Space-Time Trellis Code) được áp dụng.

Thực tế, để hệ thống có dung lượng cao, BER thấp, chống được Fading, ta phải có sự tương quan giữa độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh trong việc thiết kế hệ thống.

3.3. CÁC KĨ THUẬT PHÂN TẬP

Phân tập là kỹ thuật cải thiện độ tin cậy của tín hiệu bằng cách sử dụng hai hay nhiều kênh thông tin liên lạc với các tính chất khác nhau. Phân tập có vai trò quan trọng trong chống fading, nhiễu đồng kênh, lỗi chùm. Kỹ thuật phân tập có thể sử dụng tốt trong truyền đa đường, cho kết quả độ lợi phân tập. Độ lợi phân tập là sự tăng của tỉ số tín hiệu trên nhiễu khi có phân tập hoặc có thể tính là sự rút gọn của công suất phát khi có phân tập.

Trong các hệ thống thông tin vô tuyến di động, các kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để giảm ảnh hưởng của Fading đa đường và cải thiện độ tin cậy của truyền dẫn mà không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông. Kỹ thuật phân tập dựa trên các mô hình mà ở đó tại bộ thu sẽ nhận được các bản sao chép của tín hiệu phát, tất cả các sóng mang sẽ có cùng một thông tin nhưng sự tương quan về Fading thống kê là rất nhỏ. Ý tưởng cơ bản của phân tập là ở chỗ, nếu hai hoặc nhiều mẫu độc lập của tín hiệu được đưa tới và các mẫu đó bị ảnh hưởng của Fading là độc lập với nhau, có nghĩa là trong số chúng, có những tín hiệu bị ảnh hưởng nhiều, trong khi các mẫu khác bị ảnh hưởng ít hơn. Điều đó có nghĩa là khả năng của các mẫu đồng thời chịu ảnh hưởng của Fading dưới một mức cho trước là thấp hơn nhiều so với khả năng một vài mẫu độc lập bị nằm dưới mức đó. Do vậy, bằng cách kết hợp một cách thích hợp các mẫu khác nhau sẽ dẫn tới giảm ảnh hưởng của Fading và do đó tăng độ tin cậy của việc phát tín hiệu. Một số phương pháp phân tập được sử dụng để có được chất lượng như mong muốn tương ứng với phạm vi phân tập được giới thiệu, các kỹ thuật phân tập được phân lớp thành phân tập thời gian, tần số và phân tập không gian.