Luận Văn Mô phỏng truyền dẫn ofdm thích ứng trong thông tin vô tuyến

Lời nói đầu
Thấy rõ, hiệu quả sản xuất kinh doanh, chắt lọc tinh hoa văn minh nhân loại, tốc độ phát triển khoa học kỹ thuật, cơ hội rút ngắn khoảng cách phát triển, cơ hội để đi tắt đón đầu, cũng như cơ hội tìm kiếm đầu tư của các nhà đầu tư đã và đang được khẳng định nhờ vào việc trao đổi thông tin. Thêm nữa trước sức ép của xu thế toàn cầu hoá, hội nhập, cạnh tranh thì xã hội hoá thông tin là vấn đề toàn xã hội quan tâm. Điều này thể hiện rất rõ qua các chương trình: thương mại điện tử, chính phủ điện tử Trong xã hội thông tin đó nổi bật nhất là thông tin vô tuyến đặc biệt là thông tin di động do tính linh hoạt, mềm dẻo, di động, tiện lợi của nó. Như vậy nhu cầu về sử dụng hệ thống thông tin di động ngày càng gia tăng điều này đồng nghĩa với nhu cầu chiếm dụng tài nguyên vô tuyến gia tăng, hay nói cách khác tồn tại mâu thuẫn lớn giữa nhu cầu chiếm dụng tài nguyên và tài nguyên vốn có của thông tin vô tuyến. Nhưng do đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến là tài nguyên hạn chế, chất lượng phụ thuộc nhiều vào môi trường: địa hình, thời tiết . dẫn đến làm hạn chế triển khai đáp ứng nhu cầu của xã hội của các nhà công nghiệp và dịch vụ viễn thông. Trước mẫu thuẫn này, đặt ra bài toán cho các nhà khoa học và các ngành công nghiệp có liên quan phải giải quyết. Chẳng hạn khi nói đến vấn đề tài nguyên vô tuyến, lịch sử phát triển đã cho thấy chúng được giải quyết bằng các giải pháp kỹ thuật, công nghệ như: FDMA, TDMA, SDMA, CDMA, sự kết hợp giữa chúng ở đó đã tìm mọi cách để khai thác triệt để tài nguyên ở dạng thời gian, tần số, không gian, mã. Tuy nhiên chưa tìm thấy ở các hệ thống di động trước đây một phương pháp sử dụng tối ưu phổ tần, một tài nguyên vô cùng quan trọng trong thông tin vô tuyến. Giá trị tài nguyên phổ tần có thể được thấy qua cuộc bán đấu giá đăng ký phổ tần vô tuyến cho 3G tại Châu Âu bắt đầu trong năm 1999. Anh quốc chỉ với 90 MHz đã kết thúc cuộc bán đấu giá với 22.5 tỷ bảng Anh [5]. Đối với Đức kết quả cũng tương tự, với 100 MHz băng tần chi phí lên đến 46 tỷ USD [6]. Điều này tương đương với 450 triệu USD/MHz. Thời gian sử dụng phổ tần chỉ kéo dài 20 năm [7]. Vì thế sử dụng hiệu quả phổ tần triệt để cho hệ thống truyền thông vô tuyến là cực kỳ quan trọng. Trong bối cảnh như vậy OFDM được xem là giải pháp công nghệ khắc phục nhược điểm về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của các hệ thống di động trước đây. Chu kỳ ký hiệu lớn cho phép công nghệ OFDM có thể truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến. Mặt khác OFDM sử dụng các sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu, điều này tạo cho OFDM sử dụng băng tần kênh tối ưu. Tuy nhiên các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM hiện nay như: DAB, DVB, HDTV, HiperLAN2 . đều không dùng cơ chế thích ứng, do đó chưa tối ưu hiệu năng, thông lượng cũng như chưa đối phó hiệu quả đối với những ảnh hưởng bất lợi của kênh truyền vô tuyến di động.
Trên đây là những nét cơ bản về chuyên ngành vô tuyến mà bản thân quan tâm, lĩnh hội được trong quá trình học tập tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Với các kiến thức cơ bản về chuyên môn lĩnh hội được cùng với sự định hướng của thầy giáo Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng và thầy giáo Ks. Nguyễn Viết Đảm, đồ án đã chọn chủ đề nghiên cứu giải pháp điều chế thích ứng tín hiệu số trong hệ thống truyền dẫn số nhằm có được hiệu suất sử dụng băng tần cao. Từ đó xây dựng chương trình mô phỏng, cụ thể là : "Mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng trong thông tin vô tuyến". Ý tưởng thích ứng là: khi điều kiện kênh truyền tốt sẽ truyền dữ liệu tốc độ cao, vì thế sẽ được lợi về thông lượng (BPS). Khi điều kiện kênh tồi sẽ truyền dữ liệu tốc độ thấp hơn để đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS). Nhưng trước tiên cần xác định được đặc tính môi trường truyền dẫn (kênh truyền), trên cơ sở đó sẽ thích ứng các tham số điều chế theo kênh truyền. Theo đó đồ án được tổ chức thành 6 chương như sau.
Chương 1: Giới thiệu chung
Giới thiệu các hệ thống di động hiện hành, phân tích các ưu nhược điểm của chúng và giải thích tại sao xu thế tất yếu sử dụng công nghệ OFDM.
Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động
Đề cập một số khái niệm cơ bản đặc trưng cho truyền lan sóng vô tuyến, phân tích các ảnh hưởng và các thông số đặc trưng của đường truyền vô tuyến, các yêu cầu đối với mô hình kênh, kênh và phân loại chúng, các thông số đặc trưng này làm cơ sở để xây dựng các thuật toán thích ứng chương 5.
Chương 3: Nguyên lý hoạt động của OFDM
Trình bày những nguyên lý chung nhất về OFDM, trình bày mô hình hệ thống OFDM, phân tích các thông số đặc trưng của OFDM, phân tích các nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng của hệ thống truyền dẫn OFDM và giải pháp khắc phục. Trình bày khả năng tiết kiệm phổ tần của bộ lọc băng thông.
Chương 4: Ước tính chất lượng và cân bằng kênh
Thấy rõ, để tối ưu các máy thu cần phải xác định được chất lượng kênh. Từ đó xây dựng các giải pháp đối phó phù hợp chẳng hạn như bộ lọc thích ứng. Theo đó chương này trình bầy một số phương pháp đối phó với những bất lợi của kênh truyền vô tuyến di động như sử dụng bộ cân bằng: ZF, LMSE, đồng thời phân tích vai trò của việc ước tính kênh chính xác. Qua đó, đưa ra giải pháp ước tính kênh bằng PSAM.
Chương 5: Điều chế OFDM thích ứng
Trình bày nguyên lý điều chế thích ứng, vai trò của điều chế thích ứng, xây dựng giải thuật thích ứng cho truyền dẫn OFDM thích ứng trong thông tin vô tuyến, phân tích ưu nhược điểm của từng cơ chế thích ứng, trên cơ sở đó lựa chọn hai cơ chế thích ứng: thích ứng theo mức điều chế (AQAM) và thích ứng chọn lọc sóng mang. Trình bày mô hình giải thuật và lưu đồ thuật toán thích ứng cho cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang.
Chương 6: Chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng
Dựa trên các kết quả nghiên cứu, xây dựng mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng phục vụ cho mô phỏng. Tiến hành thiết kế các phần tử trong hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng. Trên cơ sở liên kết các phần tử, xây dựng chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng. Đánh giá hiệu năng giữa các hệ thống dùng cơ chế thích ứng và giữa hệ thống thích ứng với hệ thống không dùng cơ chế thích ứng thông qua chất lượng ảnh ban đầu và ảnh truyền qua hệ thống OFDM. Đồng thời so sánh hiệu năng (BER) và hiệu năng thông lượng (BPS) giữa các hệ thống này thông qua kết quả mô phỏng.
Được sự quan tâm, giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu và cung cấp tài liệu của thầy giáo Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng và thầy giáo Ks. Nguyễn Viết Đảm và ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến cùng với sự nỗ lực của bản thân, đồ án được hoàn thành với nội dung được giao ở mức độ và phạm vi nhất định. Tuy nhiên do trình độ và thời gian có hạn, đồ án chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, kính mong các thầy cô giáo và các bạn đọc, đóng góp ý kiến chỉnh sửa và định hướng nội dung cho hướng phát triển tiếp theo.
Em xin trân thành cảm ơn thầy giáo Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng và thầy giáo Ks. Nguyễn Viết Đảm, các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến, khoa viễn thông I và các bạn đã tận tình giúp đỡ trong thời gian học tập và làm đồ án.


Mục lục
Chương 1 1
Giới thiệu chung 2
1.1. Những hạn chế của kỹ thuật hiện hành 3
1.2. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM 4
Chương 2 5
Đặc tính kênh vô tuyến di động 5
2.1. Mở đầu 5
2.2. Miền không gian 6
2.3. Miền tần số 7
2.3.1. Điều chế tần số 7
2.3.2. Chọn lọc tần số 8
2.4. Miền thời gian 8
2.4.1. Trễ trội trung bình quân phương 9
2.4.2. Trễ trội cực đại 9
2.4.3. Thời gian nhất quán 9
2.5.Quan hệ giữa các thông số trong các miền khác nhau 9
2.5.1. Băng thông nhất quán và trải trễ trung bình quân phương 10
2.5.2. Thời gian nhất quán và trải Doppler 10
2.6. Các loại pha đinh phạm vi hẹp 10
2.7. Phân bố Rayleigh và Rice 11
2.7.1. Phân bố pha đinh Rayleigh 12
2.7.2. Phân bố Pha đinh Rice 14
2.8.1. Mô hình kênh trong miền thời gian 15
2.8.2. Mô hình kênh trong miền tần số 17
2.9. Ảnh hưởng của thừa số K kênh Rice và trải trễ lên các thuộc tính kênh trong miền tần số 19
2.10. Kết luận 21
Chương 3 23
Nguyên lý hoạt động của OFDM 23
3.1. Mở đầu 23
3.2. Tính trực giao 23
3.3. Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM 26
3.3.1. Mô tả toán học tín hiệu OFDM 26
3.3.2. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM 28
3.2.2.1. Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song 30
3.3.2.1. Tầng điều chế sóng mang con 30
3.3.2.3. Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 31
3.3.2.4. Tầng điều chế sóng mang RF 31
3.4. Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM 33
3.4.1. Cấu trúc tín hiệu OFDM 33
3.4.2. Các thông số trong miền thời gian TD 34
3.4.4. quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số. 35
3.4.5. Dung lượng của hệ thống OFDM 36
3.5. Các nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng hệ thống truyền dẫn OFDM và các giải pháp khắc phục 37
3.5.1. ISI và giải khắc phục 37
3.5.2 Ảnh hưởng của ICI và giải pháp khắc phục 40
3.5.3 Cải thiện hiệu năng hệ thống truyền dẫn trên cơ sở kết hợp mã hoá Gray 44
3.5.4 Giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống truyền dẫn OFDM 46
3.5.4.1 Phương pháp dùng bộ lọc băng thông 46
3.5.4.2 Phương pháp dùng khoảng bảo vệ cosin tăng 51
3.6 Kết luận 54
Chương 4 55
Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh 55
4.1 Giới thiệu 55
4.2 Ước tính kênh bằng PSAM 55
4.2.1 Nội suy Gauss 56
4.2.2 Nội suy FFT 56
4.2.3 Nội suy Wienner 58
4.3 Kỹ thuật cân bằng đáp ứng kênh 58
4.3.2 Bộ cân bằng bình phương lỗi trung bình tuyến tính LMSE 60
4.4 Kết luận 62
Chương 5 64
Điều chế OFDM thích ứng 64
5.1 Giới thiệu 64
5.2 Mô hình hệ thống truyền dẫn điều chế thích ứng 65
5.2.1 Khái niệm cơ bản về điều chế thích ứng 65
5.2.2 kiến trúc của những hệ thống điều chế thích ứng 66
5.2.3 Nguyên tắc xây dựng giải thuật điều chế thích ứng 67
5.3 xây dựng giải thuật thích ứng cho hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng 67
5.3.1 Thuật toán thích ứng theo SNR phát trên mỗi sóng mang con 68
5.3.2 Thuật toán thích ứng dựa theo mức điều chế 69
5.3.3 Thuật toán thích ứng dựa trên cơ chế chọn lọc sóng mang 72
5.6 Kết luận 78
Chương 6 79
Chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng 79
6.1 Giới thiệu 79
6.2 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng 79
6.2.1 Mô hình mô phỏng 79
6.2.2. Thiết lập các thông số mô hình mô phỏng 82
6.3 Chương trình mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng 90
6.3.1 Giao diện chương trình mô phỏng 90
6.3.2 Các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng 93
6.3.2.1 Kết quả mô phỏng không dùng cơ chế thích ứng 93
6.3.2.2 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng mức điều chế 95
6.3.2.3 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang 98
6.3.2.3 Kết quả mô phỏng dùng kết hợp hai cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế và chọn lọc sóng mang 101
6.4 Đánh giá hiệu năng của các cơ chế thích ứng thông qua kết quả mô phỏng 104
6.5 Kết luận 112
Kết luận 113
Tài liệu tham khảo 114