Đồ án Ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM

uen với một khái niệm mới, đó là kí hiệu null. Kí hiệu null thông thường được gởi trên sóng mang con null, đó đơn giản là sóng mang con không có nội dung. Một vài hệ thống truyền thông OFDM sóng mang con null như là một khoảng bảo vệ sao cho hệ thống OFDM không nhiễu sang hệ thống khác có tần số hoạt động gần giống nhau. Cột thẳng đứng trên hình trên tương đương với một kí hiệu OFDM , trong ví dụ trên ta có 8 kí hiệu OFDM.. 2.10 Các bước thiết lập một hệ thống OFDM Xác định băng thông dành cho kênh truyền (B) Xác định giá trị trải trễ lớn nhất của kênh truyền Chọn khoảng thời gian tiền tố vòng cho mỗi một ký tự OFDM phải lớn hơn giá trị trải trễ lớn nhất , thông thường chọn = 4. để loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI Chọn khoảng cách giữa các sóng mang để đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang Xác định thời gian tổng cộng của một ký tự OFDM : Xác định số sóng mang phụ (số kênh con) là 2.11 Một số ứng dụng của OFDM Mặc dù OFDM được phát minh từ những năm 60, nhưng hệ thống không thể hiện thực vào thời điểm đó, do việc điều chế dữ liệu lên các sóng mang một cách chính xác, cũng như việc tách các sóng mang phụ quá phức tạp, các thiết bị bán dẫn phục vụ cho việc hiện thực hệ thống chưa phát triển. Tuy nhiên sau 20 năm được phát minh, kỹ thuật OFDM đã có thể dễ dàng hiện thực với chi phí rẻ và được ứng dụng rộng rãi nhờ vào sự phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT và IFFT. Cũng giống như kỹ thuật CDMA, kỹ thuật OFDM được ứng dụng đầu tiên trong lĩnh vực thông tin quân sự. Đến những năm 1980 kỹ thuật OFDM được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong modem tốc độ cao và trong truyền thông di động. Kể từ năm 1990, OFDM được ứng dụng trong truyền dẫn thông tin băng rộng như HDSL (High-bit-rate Digital Subscriber Line), ADSL, VHDSL (Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line) sau đó OFDM được ứng dụng rộng rãi trong phát thanh số DAB và truyền hình số DVB. Những năm gần đây OFDM đã sử dụng trong các chuẩn truyền dẫn mạng vô tuyến 802.11 và 802.16 của IEEE và tiếp tục được nghiên cứu ứng dụng trong chuẩn đi động 4G. OFDM đang chứng tỏ những ưu điểm của mình trong các hệ thống viễn thông trên thực tế, đặc biệt là trong các hệ thông vô tuyến đòi hỏi tốc độ cao như thông tin di động và cả trong truyền hình số. Các nơi có địa hình phức tạp như vùng nông thôn, ngoại ô, các thành phố đông dân cư, vv… ảnh hưởng lớn đến khả năng truy cập không dây băng rộng khi triển khai trong thời gian thực. Một hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng chắc chắn chính là hệ thống có nhiều tính năng cao và khả năng truyền dẫn tốt trong các điều kiện kết nối rộng lớn, giúp các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông phủ sóng trên diện rộng hơn với số trạm gốc giảm đi. Với tính ưu việt của nó, kĩ thuật OFDM đang được các hãng viễn thông trên thế giới ứng dụng rất hiệu quả vào một số sản phẩm nhằm đáp ứng các yêu cầu từ đơn giản đến chuyên dụng như kết nối mạng Lan, camera giám sát, hệ thống hội nghị truyền hình số (DVB) hay kĩ thuật truy cập WiFi và Wimax .. Các sản phẩm này được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng điểm-điểm, điểm-đa điểm trong các điều kiện bị che chắn. Sự kết hợp công nghệ modem OFDM và điều chế thích nghi linh hoạt chỉ có trong thị trường công nghệ truy cập vô tuyến băng rộng và là các yếu tố chính tạo nên tính năng nổi trội trong các sản phẩm viễn thông. Mô phỏng Trong phần mô phỏng, ta sẽ lần lượt mô phỏng đặc tính của kênh truyền, tín hiệu OFDM phát, thu trong miền tần số, thời gian. Đồng thời, để thấy rõ ưu điểm của kỹ thuật OFDM, ta cũng sẽ mô phỏng tín hiệu QAM đơn sóng mang (với cùng một chuỗi nhị phân phát như trong kỹ thuật OFDM) trong miền thời gian và miền tần số, từ đó xác định tỷ lệ BER khi truyền bằng kỹ thuật OFDM và khi truyền bằng điều chế 16-QAM đơn sóng mang. Hình 2.12 Đặc tính kênh truyền Hình 2.13 Tín hiệu OFDM phát và thu. Hình 2.14 Tín hiệu OFDM phát và thu trong miền tần số Hình 2.15 Tín hiệu QAM phát và thu Hình 2.16 Tín hiệu QAM phát và thu trong miền tần số Kết quả tính BER khi truyền dữ liệu bằng kỹ thuật OFDM và QAM Hien thi ket qua OFDM: BER=0 % va so bit loi la =0 QAM: BER=25.9 % va so bit loi la =7 Nhận xét : Qua kết quả mô phỏng, ta nhận thấy rõ ưu điểm nổi trội của kỹ thuật OFDM so với kỹ thuật QAM đơn sóng mang. Với cùng một chất lượng kênh truyền như nhau thì OFDM cho tỷ lệ BER thấp hơn nhiều so với QAM. Cụ thể, trong kết quả hiển thị trên, tỷ lệ BER = 0 tương ứng với OFDM và tỷ lệ BER = 25.9% tương ứng với QAM. 2.13 Kết luận chương Trong chương này đã trình bày những vấn đề cơ bản của một hệ thống OFDM : mô hình hệ thống, chức năng từng khối, các bước thiết lập thông số, một số kết quả mô phỏng hệ thống OFDM bên phát và bên thu. Nhìn một cách khái quát, hệ thống OFDM mang trong nó rất nhiều ưu điểm, hứa hẹn sẽ là một giải pháp kỹ thuật được áp dụng rộng rãi trong các mạng viễn thông tốc độ cao trong tương lai. Trong chương tiếp theo, sẽ trình bày về một trong những vấn đề quan trong nhất trong hệ thống đó là ước lượng kênh truyền. CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT VỀ KÊNH TRUYỀN 3.1 Giới thiệu chương Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong kênh truyền vô tuyến, khái niệm kênh truyền dẫn phân tập đa đường, đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc thời gian và kênh phụ thuộc thời gian, các mô hình kênh cơ bản, quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và mô hình kênh, kênh truyền dẫn trong môi trường nhiễu trắng và một số kết quả mô phỏng. Ngoài ra vấn đề về dung lượng kênh vô tuyến cũng được đề cập đến. 3.2 Đặc tính chung của kênh truyền tín hiệu OFDM Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máy phát và máy thu. Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loại nhiễu như : nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN-Additive White Gaussian Noise), Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số, Fading nhiều tia…Trong kênh truyền vô tuyến thì tác động của tạp âm bên ngoài (external noise) và nhiễu giao thoa là rất lớn. Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền đa đường (multipath environment) và chịu ảnh hưởng đáng kể của Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số. Với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, phân chia băng thông gốc thành rất nhiều các băng con đều nhau, kỹ thuật OFDM đã khắc phục được ảnh hưởng của Fading lựa chon tần số, các kênh con có thể được coi là các kênh Fading không lựa chọn tần số. Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP), kỹ thuật OFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của Fading nhiều tia, đảm bảo sự đồng bộ ký tự và đồng bộ sóng mang. 3.3 Khái niệm kênh truyền dẫn phân tập đa đường Hình 3.1: Minh họa phân tập đa đường Tín hiệu từ anten phát được truyền đến máy thu thông qua nhiều hướng phản xạ khác nhau. Tín hiệu ở máy thu là tổng của tín hiệu nhận được từ các tuyến truyền dẫn khác nhau đó. Mỗi tuyến truyền dẫn như vậy sẽ có tần số khác nhau. Ta có thể dễ dàng nhận thấy rằng tín hiệu thu được ở mỗi tấn số khác nhau là khác nhau cho dù ở máy phát phát đi hai tín hiệu cùng biên độ. Hiện tượng này chính là hiện tượng fading ở miền tần số. Kênh truyền phân tập đa đường gây nên hiệu ứng fading ở miền tần số gọi là kênh phụ thuộc tần số (frequency selective channel). Thực chất của hiện tượng phụ thuộc tần số là hàm truyền đạt của kênh phụ thuộc vào giá trị tần số của tín hiệu phát . 3.4 Đáp ứng xung của kênh phụ thuộc thời gian (time_invariant channel impulse) 3.4.1 Khái niệm về kênh không phụ thuộc thời gian: Kênh không phụ thuộc thời gian là kênh truyền dẫn trong trường hợp không có sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu. Đối với kênh này, cả đáp ứng xung và hàm truyền đạt của nó đều không phụ thuộc thời gian. 3.4.2 Khái niệm về đáp ứng xung của kênh (channel impulse response) Đáp ứng xung của kênh là một dãy xung thu được ở máy thu khi máy phát phát đi một xung cực ngắn gọi là xung Dirac (Dirac impulse). *Định nghĩa của xung Dirac: Xung được định nghĩa là xung Dirac nếu nó thỏa mãn hai điều kiện sau: (2.1) Và (2.2) Với định nghĩa của xung Dirac, đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc thời gian về mặt toán học được biểu diễn như sau: (2.3) Trong đó: +k chỉ số của tuyến truyền dẫn +h đáp ứng xung của kênh + biến trễ truyền dẫn + trễ truyền dẫn tương ứng với tuyến k + hệ số suy hao +Np số tuyến truyền dẫn. 3.5 Hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc thời gian (time-invariant channel transfer function) Hàm truyền đạt của kênh là (2.4) Dựa vào hàm truyền đạt của kênh ta có thể nhận biết được ở miền tần số nào tín hiệu bị suy hao tương ứng với độ fading lớn (deep fading), hoặc ở miền tần số nào tín hiệu ít bị suy hao. Thực chất hầu hết các hệ thống truyền dẫn băng rộng trong môi trường truyền dẫn phân tập đa đường đều có fading ở miền tần số. Độ phụ thuộc vào tần số phụ thuộc vào trễ truyền dẫn của kênh và bề rộng băng tần tín hiệu. 3.6 Bề rộng độ ổn định về tần số của kênh (coherence bandwidth of the channel) Bề rộng độ ổn định về tần số của kênh được định nghĩa như sau: (2.5) Ở phương trình trên là bề rộng độ ổn định tần số của kênh còn là trễ truyền dẫn hiệu dụng của kênh. Tùy thuộc vào bề rộng băng tần của hệ thống so với bề rộng độ ổn định tần số của kênh mà kênh được định nghĩa là kênh phụ thuộc tần số hay không. Nếu bề rộng độ ổn định tần số của kênh lớn hơn nhiều so với bề rộng băng tần của hệ thống: >> B (2.6) thì kênh được định nghĩa là không phụ thuộc vào tần số (non-frequency selective channel). Trong trường hợp ngược lại: << B (2.7) thì kênh được định nghĩa là kênh phụ thuộc tần số (frequancy selective channel) 3.7 Hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu. Cụ thể là : khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm đi. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tần số bị xê dịch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler. Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống. Đặc biệt trong OFDM vấn đề đồng bộ đóng vai trò khá quan trọng. Hiệu ứng Doppler còn gây ra sự phụ thuộc thời gian của kênh vô tuyến (time-variant channel) sẽ được giới thiệu ở mục sau. Giả thiết góc tới của tuyến k so với hướng chuyển động của máy thu là , khi đó tần số Doppler tương ứng của tuyến này là : (2.8) Trong đó: +: tần số sóng mang của hệ thống. +v : vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát. +c : vận tốc ánh sáng Nếu =0 thì tần số Doppler lớn nhất sẽ là: (2.9) 3.8 Kênh phụ thuộc thời gian Sự dịch chuyển tương đối giữa máy phát và máy thu gây ra hiệu ứng Doppler và hiện tượng phụ thuộc vào thời gian của kênh. Sự phụ thuộc vào thời gian của đáp ứng xung của kênh vô tuyến được biểu diễn ở phương trình dưới đây: (2.10) Trong đó: +: tần số Doppler +t: thời gian tuyệt đối (liên quan đến thời điểm quan sát kênh) Trong trường hợp kênh truyền dẫn là quá trình dừng thì thời điểm quan sát kênh không đóng vai trò quan trọng. Đáp ứng xung của kênh là phép biểu diễn toán học của kênh ở miền thời gian. Biến đổi Fourier của đáp ứng xung của kênh cho ta hàm truyền đạt của kênh. Vậy hàm truyền đạt là phép biến đổi toán học của kênh ở miền tần số. Hàm truyền đạt của kênh do vậy được biểu diễn như sau: (2.11) Ở thông tin vô tuyến, fading co cả ở miền thời gian và miền tần số. Nói cụ thể hơn tức là tín hiệu thu được ở tần số này cao nhưng co thể ở tần số khác lại thấp. Tương tự vậy co những thời điểm tín hiệu lại cao còn ở tín hiệu khác tín hiệu lại thấp. Điều này dễ phát hiện ra khi chúng ta bắt sóng đài AM và đi xe đạp. 3.9 Bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh (coherence duration of the channel) Định nghĩa về độ ổn định thời gian của kênh (2.12) Tùy thuộc vào sự so sánh giữa bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh với độ dài mẫu tín hiệu sẽ cho ta kết quả liệu kênh vô tuyến đựoc gọi là kênh phụ thuộc thời gian hay không. Nếu bề rộng sự ổn định về thời gian của kênh lớn hơn nhiều so với độ dài một mẫu tín hiệu của hệ thống (2.13) thì kênh truyền dẫn của hệ thống đó được coi là không phụ thuộc thời gian (time-invariant channel) Trong trường hợp ngược lại, có nghĩa là (2.14) thì kênh truyền dẫn của hệ thống được coi là phụ thuộc thời gian (time-variant channel) 3.10 Các mô hình kênh cơ bản 3.10.1 Kênh theo phân bố Rayleigh Hàm truyền đạt của kênh thực chất là một quá trình xác suất phụ thuộc cả thời gian và tần số. Biên độ hàm truyền đạt của kênh tại một tần số nhất định sẽ tuân theo phân bố Rayleigh nếu các điều kiện dưới đây của môi trường truyền dẫn được thõa mãn: +Môi trường truyền dẫn không có tuyến trong tầm nhìn thẳng, có nghĩa là không có tuyến có công suất tín hiệu vượt trội. +Tín hiệu ở máy thu nhận được từ vô số các hướng phản xạ và nhiễu xạ khác nhau. Hàm mật độ xác suất của kênh phân bố Rayleigh = (2.15) Hình 3.2 : Phân bố Rayleight 3.10.2 Kênh theo phân bố Rice Trong trường hợp môi trường truyền dẫn có tuyến truyền dẫn trong tầm nhìn thẳng thì công suất tín hiệu từ tuyến này vượt trội so với các tuyến khác. Xác suất của biên độ hàm truyền đạt của kênh sẽ tuân theo phân bố Rice 3.11 Quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và mô hình của kênh Trong mục này ta phân loại ra hai loại tín hiệu phát: Tín hiệu phát thuộc về lớp hàm xác định (deterministic function) và tín hiệu phát thuộc về lớp các hàm xác suất. 3.11.1 Tín hiệu phát là hàm xác định x(t) y(t) Tín hiệu phát Mô hình kênh Tín hiệu thu Hình 3.3: Mô hình kênh tuyến tính Hình (3.3) mô tả quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và kênh. Do kênh truyền dẫn là tuyến tính nên quan hệ này được biểu diễn ở phương trình sau đây: y(t) = x(t)*= (2.16) Trong đó x(t) là một hàm xác định nào đó và là tín hiệu phát, y(t) là tín hiệu thu và là đáp ứng xung của kênh. Ở miền tần số thay vì phép cuộn của tín hiệu phát với kênh truyền là phép nhân như ở phương trình sau (2.17) Hệ thống truyền dẫn do vậy là tuyến tính (linear system) và nhân quả (casual system) 3.11.2 Tín hiệu phát là một hàm xác suất Mô hình của tín hiệu phát và thu cũng được mô tả tương tự như ở hình(y) , tuy nhiên tín hiệu phát được giả thiết là một quá trình xác suất và do đó tín hiệu thu cũng sẽ là một quá trình xác suất . Khi đó mối quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiêu thu và kênh truyền thông qua phép lấy tích phân như ở phương trình sẽ không tồn tại. Đối với các quá trình xác suất sẽ không tồn tại phép biến đổi Fourier, do vậy mối liên hệ giữa hàm truyền đạt của kênh, tín hiệu phát và thu như ở phương trình (x) sẽ không còn phù hợp. Để xây dựng mối liên hệ này người ta sử dụng các hàm tương quan và các hàm tương quan chéo của các quá trình xác suất, vì phép biến đổi Fourier có thể thực hiện được cho các hàm tương quan. 3.11.3 Mối liên hệ giữa hàm tương quan chéo của các tín hiệu vào và ra của kênh Ở miền thời gian, mối quan hệ này có thể viết được = * (PT) (2.18) Với = (2.19) được định nghĩa là hàm tự tương quan của quá trình và (2.20) được định nghĩa là hàm tương quan chéo của quá trình đầu vào và đầu ra của kênh. Ở miền tần số mối quan hệ ở PT được viết lại (2.21) Trong đó và lần lượt là biến đổi Fourier của và . 3.11.4 Mối liên hệ giữa hàm tương quan của các tín hiệu vào và ra của kênh Mối liên hệ này ở miền thời gian được thể hiện bởi phương trình sau (2.22) Ở miền tần số được biểu diễn dưới dạng (2.23) Quan hệ trên là quan hệ Wiener-Lee, thể hiện mối quan hệ giữa các hàm tự tương quan của các quá trình đầu vào và đầu ra của kênh Dựa vào các hàm tự tương quan, người ta tính công suất tín hiệu đầu vào và đầu ra của kênh như sau. Công suất tín hiệu phát: (2.24) Tương tự ta có thể tính công suất của tín hiệu thu như sau: (2.25) 3.12 Kênh truyền dẫn trong môi trường nhiễu trắng 3.12.1 Khái niệm về nhiễu trắng n(t) Tín hiệu phát x(t) y(t) Mô hình kênh Tín hiệu thu Hình 3.4: Môi trường truyền dẫn với sự có mặt của nhiễu trắng Môi trường truyền dẫn thực tế không chỉ có tác động của hiệu ứng phân tập đa đường và hiệu ứng Doppler, mà còn có sự tác động của nhiễu trắng như trình bày ở hình (2.4). Nhiễu trắng có thể do nhiều nguồn khác nhau gây ra như do thời tiết, do bộ khuếch đại ở máy thu, do nhiệt độ, hay do con người. Tín hiệu thu do vậy được viết lại như sau: (2.26) Ở phương trình trên n(t) là tác động nhiễu trắng. Vậy bản chất của nhiễu trắng là gì? có đặc tính phổ và hàm mật độ phân bố như thế nào? tại sao gọi là nhiễu trắng? Những vấn đề này sẽ được trình bày ở mục tiếp theo. 3.12.2 Các phép biểu diễn toán học của nhiễu trắng Về mặt toán học, nguồn nhiễu trắng n(t) có thể mô hình bằng một biến xác suất x tuân theo phân bố xác suất Gauss với giá trị kỳ vọng (giá trị trung bình xác suất) bằng không và độ lệch chuẩn . Điều này có nghĩa là: := E[x] =0 (2.27) và :=E[(x- )] (2.28) Do kỳ vọng bằng 0 nên độ lệch chuẩn cũng là phương sai (variance) của biến ngẫu nhiên x. Cụ thể hơn nhiễu trắng có công suất không đổi và là . Nhà toán học Gauss người Đức đã tìm ra quy luật phân bố xác suất của nhiễu trắng do vậy hàm phân bố này đã được mang tên ông. Nhiễu trắng cũng được gọi là nhiễu Gauss (additive white Gaussian noise). Hàm phân bố này được viết lại ở phương trình dưới đây [Pro95, Pap9]: (2.19) Hình 3.5: Phân bố Gauss Ở phân bố Gauss, thông số xác định điểm giữa của phân bố và thông số xác định độ rộng của hàm phân bố. 3.12.3 Phổ công suất của nhiễu trắng có băng tần giới hạn Về mặt lý thuyết, nhiễu trắng có băng tần vô hạn và công suất nhiễu là bằng nhau ở mọi tần số. Về mặt thực tế không tồn tại hệ thống có băng tần vô hạn. Hình 3.6: Mật độ phổ công suất nhiễu. Ở hình trên ta giả sử hệ thống có băng tần giới hạn B=2, với chu kỳ lấy mẫu là . Mật độ phổ công suất của nhiễu như ở hình Z được viết lại như sau: (2.30) Chú ý rằng tất cả các biến ngẫu nhiên đều không tồn tại phép biến đổi Fourier mà chỉ tồn tại hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất, trong đó hàm mật độ công suất là phép biến đổi Fourier của hàm tự tương quan. Ở phương trình trên Là hàm mật độ công suất nhiễu còn là hàm tương quan của nhiễu với định nghĩa: :=E[ = (2.31) Theo phương trình trên, hàm tự tương quan là biến đổi Fourier ngược của hàm mật độ phổ công suất. Do hàm mật độ phổ công suất có dạng hình chữ nhật, kết quả biến đổi Fourier ngược của hàm hình chữ nhật cho ta hàm số Si(). Công suất nhiễu có thể tính được bằng cả từ hàm mật độ công suất nhiễu hoặc hàm tự tương quan của nhiễu như sau P=E[n]= (2.32) Khi đó tỉ số tín hiệu trên tạp âm được tính theo công thức sau: SNR= (2.33) Với là công suất tín hiệu co ích. Tỷ số này quyết định chất lượng tín hiệu và dung lượng kênh . Sự can thiệp của nhiễu trắng đến kênh truyền dẫn, cụ thể hơn là tỷ số công suất tín hiệu trên tạp âm, ảnh hưởng trực tiếp đến thông lượng của kênh và chất lượng tín hiệu thu. 3.12.4 Ảnh hưởng của AWGN đến hệ thống OFDM Nhiễu tồn tại trong kênh vật lý của tất cả các hệ thống thông tin, bao gồm thông tin vô tuyến. Các nguồn nhiễu chính là nhiễu nhiệt, nhiễu điện trong các bộ khuếch đại máy thu và can nhiễu giữa các tế bào. Ngoài ra nhiễu còn có thể tạo ra bên trong các hệ thống thông tin như là kết quả của can nhiễu giữa các symbol ISI, can nhiễu giữa các sóng mang ICI và méo xuyên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion). Các nguồn nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu/nhiễu, giới hạn đáng kể hiệu quả phổ của hệ thống. Tất cả các loại nhiễu trên làm giảm chất lượng truyền dẫn trong thông tin vô tuyến. Do vậy việc nghiên cứu các ảnh hưởng của nhiễu đến tỉ lệ lỗi thông tin và một số biện pháp dung hòa giữa mức nhiễu và hiệu quả phổ hệ thống là rất quan trọng. Hầu hết các dạng nhiễu trong hệ thống thông tin vô tuyến được mô hình hóa chính xác nhờ dùng nhiễu trắng Gauss. 3.13 Nhiễu xuyên kí tự ISI ISI, được định nghĩa là xuyên nhiễu (crosstalk) giữa các kí tự trong khoảng thời gian T của các frame FFT liên tiếp (trong miền thời gian), nghĩa là các kí tự cạnh nhau sẽ giao thoa với nhau dẫn đến méo dạng kí tự và máy thu có thể quyết định sai về kí tự này. Hiện tượng đa đường làm cho mỗi sóng con trải năng lượng đối với những kênh kế cận, điều này làm cho tín hiệu được gửi trước sẽ gây nhiễu lên tín hiệu đang gửi hiện hành. Bằng việc chèn tiền tố vòng, vấn đề này sẽ được giải quyết. Ví dụ về ISI được cho ở hình (3.7). Chuỗi ‘0’ được phát từ BTS. Nếu tín hiệu phản xạ đến chậm hơn đúng một bít so với tín hiệu đi thẳng thì máy thu kí hiệu là ‘1’ ở tín hiệu phản xạ sẽ giao thoa với kí hiệu ‘0’ của tín hiệu đi thẳng và máy thu sẽ quyết định nhầm là kí hiệu ‘1’ Hình 3.7: Ví dụ về ISI 3.14 Nhiễu ICI (Inter-carrier interference) Nhiễu giao thoa liên sóng mang, được định nghĩa là xuyên nhiễu (crosstalk) giữa các sóng mang phụ của cùng một frame FFT (trong miền tần số). ICI phá hủy tính trực giao của sóng mang. Nhiễu ICI được loại bỏ hoàn toàn nhờ sử dụng tập tần số trực giao làm tập tần số của các kênh phụ. 3.15 Dung lượng kênh vô tuyến Dung lượng của kênh cho ta biết tốc độ tối đa của tín hiệu có thể truyền được qua kênh mà không bị lỗi. Do vậy dung lượng kênh sẽ phụ thuộc vào bề rộng băng tần của kênh và các tác động của các loại nhiễu. Phần này sẽ trình bày vắn tắt các khái niệm về dung lượng kênh của Shanon. 3.15.1 Lý thuyết về dung lượng kênh số của Shannon Giả thiết máy phát phát đi trùm tín hiệu là , khi đó lượng tin (entropy) của khối tin này được tính là () = (2.34) Trong đó là xác suất xảy ra sự kiện mẫu tin được truyền đi. Lượng tin do vậy co tính chất . Lượng tin mất mát khi phát đi mẫu tin nhưng lại nhận được mẫu tin là , với - là xác suất liên hợp, còn là xác suất điều kiện. Tổng lượng tin mất mát là: = (2.35) Thông lượng kênh tương ứng với lượng tin không bị thất thoát C= max {H(- H(} (2.36) Thông lượng kênh là tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất không lỗi qua một kênh truyền dẫn cho trước. Trong trường hợp kênh không nhiễu thì lượng tin thất thoát bằng không, có nghĩa là = 0 (2.37) Với định nghĩa trên, Shannon đã đưa ra giới hạn trên của tốc độ dữ liệu của một kênh truyền dẫn vật lý. Giới hạn này là nền tảng cho nhiều lĩnh vực khác nhau như lý thuyết mã kênh, lý thuyết điều chế, và lý thuyết thông tin. Lý thuyết về lượng thông lượng kênh của Shannon cho chúng ta biết tỉ lệ lỗi bít của tín hiệu nhận được có thể được giảm đến một mức nhỏ tùy ý bằng các kỹ thuật mã kênh và kỹ thuật điều chế, chừng nào mà tốc độ tín hiệu vẫn còn nhỏ hơn thông lượng kênh 3.15.2 Thông lượng kênh tương tự có băng tần giới hạn Shannon đã đưa ra lý thuyết về thông lượng của một kênh truyền dẫn có băng tần giới hạn như sau: “Thông lượng của một kênh với bề rộng băng tần là B và bị can nhiễu trắng với tỉ số của công suất tín hiệu trên tạp âm trung bình là được tính bởi : C = (2.38) Nếu tỉ lệ công suất tín hiệu trên tạp âm được tính bằng dB, thì thông lượng kênh được gần đúng hóa bằng công thức sau: C SNR (2.39) 3.16 Kết luận chương Chương này trình bày về các khái niệm cơ bản trong kênh truyền vô tuyến, về cái mà chúng ta ước lượng trong đồ án này. Chương tiếp theo sẽ là nội dung chính của đồ án này, các kĩ thuật ước lượng kênh truyền và nội suy. CHƯƠNG 4 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG OFDM 4.1 Giới thiệu chương Trong chương này sẽ trình bày về kĩ thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM. Phần đầu tiên sẽ là giới thiệu một số kĩ thuật ước lượng kênh truyền khác nhau và phần cuối cùng sẽ giới thiệu một vài phương pháp nội suy. Tiếp theo sẽ là phần mô phỏng. Ước lượng kênh truyền trong đồ án này được thực hiện theo 3 bước. Bước đầu tiên được thực hiện trên kí tự OFDM chứa kí hiệu pilot, bước thứ hai sẽ thực hiên trên kí tự OFDM không chứa kí hiệu pilot và cuối cùng là nội suy trong miền thời gian. Thời gian Sóng mang con Kí hiệu pilot Kí hiệu data Hình 4.1: Kí hiệu OFDM với pilot và OFDM không có pilot Bước đầu tiên là ước lượng hệ số kênh truyền trong miền tần số tại vị trí của kí hiệu dẫn đường, dùng kết quả đó nội suy toàn bộ hệ số kênh truyền trong miền tần số ở vị trí của kí hiệu dữ liệu, cuối cùng là nội suy thời gian. Trước hết ta xem xét những định nghĩa cơ bản được đưa ra cho N sóng mang con trong một kí hiệu OFDM D= h= Ước lượng 1D Ước lượng 1D là kĩ thuật ước lượng chỉ dùng thông tin một chiều, hoặc là thời gian hoặc là tần số. Dưới đây sẽ giới thiệu ba dạng ước lượng khác nhau trong miền tần số. 4.2.1 Phương pháp ước lượng bình phương ít nhất (least squares estimation) Việc ước lượng sẽ tìm ra đáp ứng xung của kênh truyền sao cho lỗi bình phương được giảm thiểu. = (4.1) = min (4.2) Trong đó: + là sự chênh lệch giữa tín hiệu thu và tín hiệu nhận +D là kí hiệu đã biết trên đường chéo chính và có kích thước là NxN + là ma trận DFT có kích thước NxN +y là vector nhận có kích thước Nx1 Từ (4.1) ta suy ra đáp ứng xung của kênh truyền là : = (4.3) trong đó : Q = (4.4) Đáp ứng tần số của kênh truyền: = (4.5) Từ (4.4) và (4.5) ta suy ra: = (4.6) Trong đó: + chỉ chứa kí hiệu pilot và có kích thước là PxP (P là số kí hiệu pilot) +