Đề tài Tìm hiểu một số cơ chế thích nghi sử dụng trong hệ thống OFDM

, đưa ra mô hình thuật toán cho cơ chế chọn lọc sóng mang đồng thời đi phân tích một số lưu đồ thuật toán quan trọng trong quá trình mô phỏng. 4.2 Lưu đồ thuật toán Điều chế thích nghi chính là lựa chọn hình thức điều chế một cách động để thu được thông lượng tối ưu khi mức SNR thu biến đổi trong phạm vi rộng theo thời gian. Trong thuật toán điều chế thì các tham số điều chế được xác định bởi thuộc tính của kênh. Tức là các tham số điều chế sẽ là một hàm của các tham số kênh. Tham số điều chế = f (tham số kênh) Quá trình thích nghi sẽ được thực hiện theo lưu đồ thuật toán H 4.1 Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán điều chế thích nghi 4.3 Kiến trúc của những hệ thống điều chế thích nghi Hình 4.2 Kiến trúc của những hệ thống điều chế thích nghi Hình 4.2 cho thấy điều chế thích nghi được sử dụng để thay đổi các tham số điều chế theo trạng thái kênh. Để thực hiện điều này thì phía phát phải biết trạng thái kênh trước khi truyền dẫn, và thông tin về kênh phải tuyệt đối chính xác. Phương pháp xác định trạng thái kênh còn được gọi là ước lượng kênh. Có hai phương pháp ước lượng kênh khác nhau, cách thứ nhất là phía phát nhận thông tin hồi tiếp về kênh từ phía thu, cách thứ hai là phía phát tự ước lượng kênh. Tuy nhiên đồ án sẽ tập trung vào phương pháp thứ nhất. 4.4 Chu trình hoạt động của hệ thống AOFDM Chu trình hoạt động của hệ thống AOFDM bao gồm 3 bước cơ bản: -Ước lượng chất lượng kênh -Chọn các tham số cho quá trình phát tiếp theo -Báo hiệu hay tách sóng mù về các tham số được sử dụng 4.4.1 Ước lượng chất lượng kênh Ước lượng chất lượng kênh là nhiệm vụ quan trọng đầu tiên quyết định tới chất lượng của hệ thống. Để chọn được các tham số phát phù hợp cho lần truyền dẫn tiếp theo, cần phải ước lượng tương đối chính xác hàm truyền của kênh trong suốt khe thời gian truyền tiếp theo. Phần ước lượng kênh đã được trình bày trong chương 3 của đồ án. 4.4.2 Chọn các tham số cho quá trình phát tiếp theo Dựa trên việc dự đoán chất lượng của kênh trong khe thời gian tiếp theo, máy phát cần lựa chọn các phương thức điều chế hay mã hóa phù hợp cho các sóng mang con. Bước tiếp theo này phụ thuộc vào chất lượng của các bộ điều chế hay mã hóa được sử dụng. 4.4.3 Báo hiệu hay tách sóng mù các tham số được sử dụng Trong quá trình thích nghi, máy phát và máy thu cần phải báo hiệu cho nhau về tình trạng kênh hay về tham số của bộ giải điều chế được sử dụng cho gói tin đã nhận được. Thông tin này có thể được tải trong bản thân symbol OFDM nhờ các sóng mang Pilot hoặc các sóng mang dữ liệu. Để đơn giản hóa nhiệm vụ báo hiệu, có thể tiến hành thích nghi OFDM trên cơ sở băng con hoặc chọn các sơ đồ tách sóng mù để cần rất ít hoặc không cần các thông tin báo hiệu. 4.5 Một số cơ chế thích nghi được sử dụng trong hệ thống OFDM Điều chế thích nghi cho phép tối ưu hoá chất lượng dịch vụ BER (QoS) và thông lượng truyền dẫn (BPS). Muốn vậy, cần phải thích nghi các thông số điều chế theo chất lượng của kênh truyền. Tồn tại nhiều cơ chế thích nghi như: mức điều chế, sơ đồ điều chế, SNR phát, số lượng sóng mang, vị trí sóng mang, tỷ lệ mã, tốc độ trải phổ…Các thuật toán này được xây dựng trên cơ sở làm thay đổi một hay một số các tham số điều chế thích nghi với trạng thái của kênh. Ở đây, ta xét một số cơ chế điển hình. 4.5.1 Thích nghi theo SNR phát trên mỗi sóng mang Ảnh hưởng của kênh vô tuyến lên chất lượng truyền dẫn: Do tính chọn lọc tần số của kênh vô tuyến nghĩa là hàm truyền đạt kênh truyền không bằng phẳng dẫn đến các thành phần tần số của tín hiệu tin nằm trong khoảng lồi lõm của đặc tuyến hàm truyền đạt kênh bị thăng giáng tương ứng. Hậu quả làm cho BER tăng (giảm QoS). Giải pháp khắc phục hiện tại: Dùng các bộ cân bằng kênh và cân bằng kênh thích nghi trong miền tần số song hiệu quả thấp vì một khi tốc độ dữ liệu cao thì các bộ cân bằng sẽ không thể san phẳng toàn bộ đáp ứng kênh. Phương pháp làm tăng giảm SNR của các sóng mang con theo các vùng tần số lồi lõm của hàm truyền đạt kênh nghĩa là: sẽ tăng công suất phát cho các sóng mang con ở các thành phần tần số nằm trong khoảng lõm của đáp ứng kênh và ngược lại làm giảm công suất phát của các sóng mang đối với thành phần tần số nằm trong khoảng lồi của đáp ứng kênh. Giải pháp tăng hay giảm công suất phát đối với từng thành phần sóng mang con trong hệ thống OFDM rất phức tạp do đó tiến hành bằng cách tăng hoặc giảm năng lượng cho các thành phần tần số sóng mang con tại bộ điều chế sóng mang con (xem lại chương 2) bằng cách thay đổi tham số trải phổ cho từng thành phần sóng mang. Theo đó, tăng công suất bằng cách tăng giá trị của tham số trải phổ và giảm công suất bằng cách giảm giá trị tham số trải phổ. Tuy nhiên quá trình tính toán để tìm ra SNR cho từng thành phần tần số phía thu rất phức tạp. Nhận xét: Mặc dù phương pháp này rất tốt đối với kênh pha đinh Rayleigh, tuy nhiên quá phức tạp và yêu cầu khối lượng xử lý lớn. Thực tế hay dùng phương pháp thích nghi theo cơ chế chuyển mức điều chế. 4.5.2 Thích nghi theo cơ chế chuyển mức điều chế Trong hệ thống OFDM dữ liệu trước khi điều chế ký hiệu OFDM đều được điều chế sóng mang con. Có các sơ đồ điều chế chuyển mức khác nhau được sử dụng trong hệ thống OFDM như: M-PSK, M-ASK, M-QAM. Tùy thuộc điều kiện kênh truyền hay yêu cầu tiết kiệm năng lượng mà ta sẽ chọn sơ đồ điều chế phù hợp. Thông thường mức điều chế sẽ dựa trên cơ sở BER phía thu (hay SNR phía thu). Tuy nhiên với điều kiện kênh truyền xấu thì thường lựa chọn sơ đồ BPSK. Dưới đây là các mức SNR thu để điều khiển các mức điều chế (bảng 4.1). Bảng 4.1 Điều khiển mức điều chế dựa trên các mức SNR thu Mức SNR Không phát BPSK 4QAM 16QAM 64QAM Dưới l1-k Không phát Không phát Không phát Không phát Không phát l1-k đến l1 Không phát Không phát Không phát Không phát Không phát l1 đến l1+k Không phát¯ Không phát¯ Không phát¯ Không phát¯ Không phát¯ l1+k đến l2-k BPSK BPSK BPSK BPSK BPSK l2-k đến l2 BPSK BPSK BPSK BPSK BPSK l2 đến l2+k BPSK¯ BPSK¯ BPSK¯ BPSK¯ BPSK¯ l2+k đến l3-k 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM l3-k đến l3 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM l3 đến l3+k 4QAM¯ 4QAM¯ 4QAM¯ 4QAM¯ 4QAM¯ l3+k đến l4-k 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM l4-k đến l4 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM l4 đến l4+k 16QAM ¯ 16QAM ¯ 16QAM ¯ 16QAM ¯ 16QAM ¯ Trên l4+k 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM Trong đó k là dải động điều khiển công suất, dải động càng cao thì vùng điều khiển công suất sẽ càng lớn, thông thường k được thiết lập trong đoạn [0.5;1]. Các ngưỡng được ấn định như sau: l1=-, l2=8db, l3=14db, l4=20db cho sơ đồ AQAM không bị chặn, trong đó số liệu được truyền thường xuyên. Tương tự đối với sơ đồ AQAM có chặn, các mức ngưỡng là l1=5db, l2=8db, l3=14db, l4=20db, trong đó máy phát bị cấm khi công suất tức thời thấp hơn l1. Ta coi rằng tại máy thu ước tính và bù trừ chất lượng kênh băng hẹp là hoàn hảo. Mũi tên ¯ kí hiệu cho giảm công suất. Hình 4.3 sẽ diễn tả trực quan cơ chế này. Hình 4.3 Ngưỡng SNR chuyển mức cho cơ chế mức điều chế Phương pháp này có ưu điểm là rất đơn giản chỉ cần so sánh SNR thu với SNR ngưỡng để quyết định sơ đồ điều chế phù hợp. Tuy nhiên với phương pháp này sẽ không tận dụng được những khoảng băng tần kênh có đáp ứng tốt, vì ở những đoạn băng tần kênh này có thể cho phép mức điều chế cao hơn mức thiết lập chung. Do đó để đảm bảo cho mức điều chế tối đa có thể có cho các thành phần sóng mang ít bị ảnh hưởng bởi kênh thì ta phải xây dựng thuật toán thích nghi dựa trên cơ chế chọn lọc sóng mang. 4.5.3 Thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang Nguyên lí: Do tính chất chọn lọc tần số của đáp ứng kênh nên đối với kênh chọn lọc tần số tồn tại những khoảng băng tần thăng giáng khác nhau. - Vùng tần số của đáp ứng kênh ít bị thăng giáng: Truyền dữ liệu trên các sóng mang con nằm trong khoảng băng tần có độ biến động chấp nhận được Þ cải thiện BPS. - Vùng tần số của đáp ứng kênh bị thăng giáng mạnh: Không truyền dữ liệu trên đó Þ cải thiện QoS. Xây dựng giải thuật: Dựa trên tính chất chọn lọc tần số của kênh ta có thể xây dựng thuật toán thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang nhằm phát huy tối đa ưu điểm của phân tập tần số. Với giả thiết là: (1) Cùng một độ rộng băng tần được cấp phát cho kênh (cùng tốc độ bit vào); (2) Cùng trạng thái kênh (cùng một đoạn băng tần bị thăng giáng, cùng số lượng các sóng mang con bị thăng giáng ); (3) trong cùng một khoảng thời gian khảo sát, có cùng số lượng bit được truyền, cùng khoảng thời gian mô phỏng. Nếu số lượng sóng mang (N_Sub) được dùng để truyền dữ liệu là nhỏ, nghĩa là tỉ lệ giữa số các bit được truyền đi bị lỗi trên toàn bộ các bit được truyền đi là lớn (BER tăng) ngoài ra còn gây lỗi cụm (các lỗi có tính chất tập trung). Như vậy, khi N_Sub nhỏ không những BER lớn mà còn tăng lỗi cụm. Nếu ta dùng một số lượng lớn sóng mang để truyền dữ liệu thì sẽ có tác dụng giảm số lượng lỗi vì tỷ lệ sóng mang bị lỗi so với toàn bộ sóng mang sẽ rất nhỏ BER giảm ngoài ra còn không gây lỗi cụm. Như vậy, khi NSub lớn không những BER giảm mà còn giảm lỗi cụm. Trên đây là trường hợp chưa thực hiện thích nghi. Nếu bỏ giả thiết (3) ở trên và thực hiện cơ chế thích nghi bằng cách: Tăng, giảm số lượng các sóng mang con theo trạng thái kênh: Một khi ta khảo sát trong khoảng thời gian đủ dài và thực hiện thích nghi số sóng mang con NSub theo trạng thái kênh trong miền tần số Þ cải thiện được cả hiệu năng BER và QoS Þ hạn chế lỗi. Không truyền dữ liệu trên các sóng mang con bị lỗi: Tiến hành truyền dữ liệu trên sóng mang có tỷ lệ lỗi cho phép và sẽ không truyền trên các sóng mang có tỷ lệ lỗi vượt quá ngưỡng cho phép. Tất nhiên nếu ta dùng cơ chế thích nghi khi dùng số ít sóng mang con sẽ không hiệu quả về thông lượng vì có thể có trường hợp mà có nhiều sóng mang con bị lỗi quá ngưỡng cho phép do đó dữ liệu được truyền trên một số ít sóng mang còn lại, điều này dẫn đến việc giảm mạnh tốc độ bit truyền dẫn. Do vậy để nâng cao hiệu năng của cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang thì số lượng sóng mang con cần phải đủ lớn (thông thường > 100). Vấn đề chính của thuật toán thích nghi chọn lọc sóng mang là phải xác định được BER cho từng thành phần sóng mang, sau đó so sánh với giá trị BER ngưỡng để quyết định sẽ không truyền dữ liệu trên thành phần sóng mang nào. Nếu giá trị BER trên sóng mang con nào thấp hơn mức ngưỡng thì phía phát sẽ tiến hành chèn ký hiệu hoa tiêu vào thành phần sóng mang đó, các ký hiệu hoa tiêu này để đơn giản ta nên thiết lập giá trị là ’0’. Phía thu sẽ vẫn tiến hành thu và tính BER trên các sóng mang được chèn hoa tiêu, nếu giá trị BER trên các sóng mang này mà thấp hơn ngưỡng cho phép thì ta lại truyền dữ liệu bình thường trên các sóng mang này. Do đó việc chèn ký hiệu hoa tiêu lên các sóng mang có tỷ lệ lỗi lớn sẽ giúp cho phía thu ước tính chính xác trạng thái kênh truyền dẫn. Nhận xét: Ưu điểm nổi bật của cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang là tận dụng cực đại hoá những khoảng băng tần ít biến động của kênh và giảm thiểu dữ liệu truyền trên những khoảng băng tần thăng giáng lớn của kênh hay nói cách khác giảm thiểu được ảnh hưởng pha đinh chọn lọc tần số. Trong khi đó ở các thuật toán khác như mức điều chế (M-QAM , M-PSK ...) do xử lý như nhau đối với toàn bộ băng tần kênh, nên không thể tận dụng ưu điểm và đối phó nhược điểm trên đáp ứng kênh truyền trong miền tần số. Vì vậy, có thể nói rằng đây là giải thuật khá tối ưu để cải thiện BER và thông lượng truyền. 4.6 Mô hình thuật toán theo cơ chế chọn lọc sóng mang Nội dung của thuật toán chọn lọc sóng mang được trình bày ở mô hình giải thuật dưới đây: Hình 4.4 Mô hình thuật toán theo cơ chế chọn lọc sóng mang cho hệ thống truyền dẫn OFDM Khối tính BER: So sánh sự sai khác giữa ký hiệu phát và thu, tính số lượng lỗi. Sau đó khối tính BER sẽ gửi kết quả tính toán đến khối quyết định chèn. BER ngưỡng: Do người dùng thiết lập tuỳ theo tính chất dịch vụ yêu cầu, đối với thoại thông thường , trong khi đó đối với các dịch vụ số liệu thì yêu cầu . Khối quyết định chèn: Dựa trên giá trị BER ngưỡng thiết lập cho từng dịch vụ, khối quyết định sẽ tính chính xác giá trị BER trung bình cho từng thành phần sóng mang để đảm bảo được giá trị BER ngưỡng, giá trị BER trung bình này gọi là giá trị BER trung bình ngưỡng (). Đầu ra của bộ quyết định là một mảng một chiều (mảng QĐ) có kích thước bằng số lượng sóng mang. Công việc của khối quyết định là so sánh các giá trị BER của từng thành phần sóng mang do bộ tính BER đưa đến với giá trị , nếu giá trị BER của thành phần sóng mang nào > thì phần tử trong mảng QĐ tương ứng với thành phần sóng mang đó sẽ được gán bằng ’1’. Nếu ngược lại sẽ được gán bằng ’0’. Giá trị ’1’ có nghĩa là không truyền dữ liệu trên sóng mang này, giá trị ’0’ có nghĩa là vẫn sử dụng sóng mang này. Lưu đồ thuật toán cho khối quyết định được mô tả như sau: Hình 4.5 Lưu đồ thuật toán khối quyết định Khối điều khiển chèn: Khối này lấy thông tin chèn từ khối quyết định, nếu sóng mang nào có BER khi đó phần tử trong mảng QĐ có chỉ số bằng số thứ tự của sóng mang này sẽ có giá trị là ’1’ và ta phải tiến hành chèn ’0’ lên sóng mang này, nếu ngược lại thì sẽ tiến hành truyền dữ liệu bình thường trên sóng mang này. Khối điều khiển chèn sẽ can thiệp thứ tự của ký hiệu phát trên mỗi sóng mang để đảm bảo sao cho nếu không sử dụng sóng mang thì sẽ chèn thêm ký hiệu ’0’, và nếu sử dụng thì không chèn. Sau đây là lưu đồ thuật toán mô tả hoạt động của khối điều khiển chèn. Hình 4.6 Lưu đồ thuật toán mô tả hoạt động của khối điều khiển chèn Khối điều khiển giải chèn: Hoạt động của khối điều khiển giải chèn hoàn toàn ngược lại với khối điều khiển chèn. Khối này lấy thông tin chèn từ khối quyết định, dựa trên thông tin về các vị trí chèn khối này sẽ tiến hành giải chèn tức là loại bỏ những ký hiệu chèn trên những sóng mang con được chèn và đưa những ký hiệu chèn này đến bộ ước tính kênh để tiến hành tìm ra đáp ứng kênh. 4.7 Kết luận Chương này đã trình bày khã rõ về điều chế thích nghi, nguyên lí chung cho các hệ thống truyền dẫn thích nghi. Đưa ra ba phương án thích nghi thường được sử dụng: thích nghi theo SNR phát, theo mức điều chế và theo cơ chế chọn lọc sóng mang đồng thời tiến hành phân tích hiệu quả của các cơ chế thích nghi. Chương đã đưa ra mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM sử dụng thuật toán thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang và một số thuật toán được sử dụng trong chương trình mô phỏng. CHƯƠNG 5 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 5.1 Giới thiệu chương Chương này sẽ trình bày về mô hình để mô phỏng một hệ thống AOFDM, đưa ra các kết quả của chương trình mô phỏng và tiến hành đánh giá hiệu năng của hệ thống trong các trường hợp thích nghi. Cuối cùng là phần kết luận và đề xuất hướng phát triển của đề tài. 5.2 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích nghi Mô hình mô phỏng hệ thống OFDM được cho ở hình 5.1. Dữ liệu của người dùng là file ảnh thuộc các định dạng: JPEG, BITMAP, …Dữ liệu đọc được từ file ảnh sẽ có dạng một vector 3 chiều, với các phần tử có dạng thập phân 1-256. Do không thể truyền trực tiếp một vector 3 chiều được cho nên phải tiến hành chuyển đổi vector 3 chiều thành vector 1 chiều, sau đó để truyền qua hệ thống OFDM cần tiến hành chuyển đổi dữ liệu thập phân sang ‘từ’ nhị phân 8 bit. Bộ tính lỗi sẽ so sánh sự khác nhau giữa dữ liệu phát và thu và tính số lượng lỗi, sau đó hiển thị lỗi để tính hiệu năng của hệ thống. Dữ liệu nhị phân sau đó được đưa lên điều chế M-QAM, tiếp theo dữ liệu sau điều chế M-QAM được đưa đến bộ điều chế OFDM. Dữ liệu sau điều chế OFDM được phát qua kênh vô tuyến đến máy thu. Máy thu sẽ thực hiện ngược các công việc với phía phát. Dữ liệu cuối cùng có dạng vector 3 chiều với các phần tử có dạng thập phân sẽ được khôi phục dưới dạng file ảnh và hiển thị để so sánh với ảnh ban đầu. Hoạt động của khối tính BER, khối quyết định, khối điều khiển chèn, khối điều khiển giải chèn hoàn toàn tương tự như các khối này ở mô hình cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang được trình bày trong chương 4. Hình 5.1 chỉ trình bày mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM thích nghi dùng cơ chế chọn lọc sóng mang. Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM thích nghi dùng cơ chế chuyển mức điều chế sẽ thay vai trò của khối điều khiển chèn và giải chèn sóng mang con bằng khối điều khiển chuyển mức điều chế và sẽ không còn khối BER ngưỡng. Khối quyết định sẽ so sánh giá trị BER hiện thời của hệ thống nhận từ bộ tính BER với giá trị BER ngưỡng chuyển mức, và sẽ quyết định mức điều chế hợp lý ứng với giá trị BER hiện thời này. Thông tin từ khối quyết định sẽ đưa đến khối điều khiển chuyển mức điều chế, khối này sẽ thực hiện công việc chuyển mức. Hình 5.1 Mô hình mô phỏng hệ thống OFDM theo cơ chế chọn lọc sóng mang 5.3 Thiết lập các thông số mô hình mô phỏng Thiết lập tính tương thích các thông số cho tín hiệu OFDM Trong phần trên ta đã nghiên cứu về cấu trúc một tín hiệu OFDM, tuy nhiên để mô phỏng một tín hiệu OFDM sẽ phức tạp hơn rất nhiều. Hai nhiệm vụ chính cần thực hiện trong quá trình mô phỏng một tín hiệu OFDM là: Tương thích giữa tốc độ dữ liệu người dùng và số lượng sóng mang con sử dụng để truyền dữ liệu. Tương thích giữa số lượng sóng mang con sử dụng truyền dữ liệu và kích thước FFT. Ngoài ra, các công việc khác như: chuyển tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian, chèn khoảng bảo vệ. Để hiểu rõ quá trình mô phỏng tín hiệu OFDM, xét một ví dụ mô phỏng một tín hiệu OFDM cụ thể với thời gian mô phỏng 1 giây. Giả sử các tham số hệ thống được mô tả trong bảng dưới đây. Bảng 5.1 Tham số hệ thống dùng cho mô phỏng tín hiệu OFDM Tham số hệ thống Giá trị Tốc độ dữ liệu đầu vào: Rb 12 Mbps Số lượng sóng mang: Nsub 90 Kích thước FFT: NFFT 256 Mức điều chế sóng mang: M-QAM 16-QAM Thời gian mô phỏng: Tsim 1 s Chu kỳ cơ bản: T 1/ Rb = 0,083 µs Thời gian ký hiệu hữu ích: TFFT Nsub×log2(M) ×T = 30 µs Thời gian khoảng bảo vệ: TG 1/4 TFFT = 7,5 µs Thời gian ký hiệu OFDM: Tsym TFFT + TG = 37,5 µs Vì tốc độ dữ liệu là 12 Mbps, nên trong khoảng thời gian 1 giây mô phỏng sẽ có truyền. Nhưng do phương pháp điều chế sóng mang con là 16-QAM, do đó số lượng ký hiệu 16-QAM sẽ là: ký hiệu. Quá trình tương thích giữa tốc độ dữ liệu người dùng và số lượng sóng mang con Mỗi sóng mang con trong một ký hiệu OFDM sẽ mang một ký hiệu dữ liệu. Khi số lượng ký hiệu không bằng bội số nguyên lần số lượng sóng mang con, để đảm bảo mỗi sóng mang con đều có dữ liệu truyền ta phải tiến hành chèn thêm các ký hiệu ‘0’. Mà mỗi ký hiệu OFDM sẽ chứa toàn bộ chu kỳ của các sóng mang con, do đó một ký hiệu OFDM sẽ chứa toàn bộ dữ liệu truyền trên các sóng mang con. Trong trường hợp này mỗi ký hiệu OFDM sẽ chứa dữ liệu có trong 90 sóng mang con. Vì có điều này nên: số lượng ký hiệu OFDM = , Trong đó: , với [x] là phần nguyên của x. Số lượng ký hiệu phải chèn thêm là: 90 - phần dư. Hình 5.2 sẽ minh hoạ quá trình này: Hình 5. 2 Tương thích giữa tốc độ dữ liệu người dùng và số sóng mang Sau khi thực hiện tương thích giữa tốc độ dữ liệu đầu vào và số sóng mang sử dụng truyền dữ liệu, cần tiến hành quá trình tương thích tiếp theo giữa kích thước FFT và số sóng mang. Quá trình tương thích giữa kích thước FFT và số sóng mang con Một ký hiệu FFT được tạo nên từ biến đổi IFFT các mẫu tần số. Mẫu tần số là mẫu thu được do quá trình lấy mẫu các tần số sóng mang con. Do đó trong khoảng thời gian biến đổi IFFT sẽ chứa toàn bộ chu kỳ của các sóng mang con. Trong biến đổi Fourier do khoảng tần số lấy từ , nhưng đối với phương pháp FFT thì khoảng tần số bị giới hạn do vậy, sau biến đổi FFT sẽ chịu hiệu ứng biên, hiệu ứng biên làm sai lệch các giá trị tín hiệu ứng với các tần số ngoài rìa. Vì thế để giảm hiệu ứng biên ta phải tăng kích thước FFT so với số sóng mang, muốn vậy: Kích thước FFT/2 > số sóng mang con Vì thế mà số lượng các mẫu tần số tại đầu vào FFT bị thiếu, lượng thiếu = Kích thước FFT/2 - số sóng mang con cho nên ta phải tiến hành chèn thêm các tần số ‘0’ trước khi biến đổi IFFT. Theo bảng tham số dùng mô phỏng ta có: Kích thước FFT/2 = 128, mà số sóng mang = 90. Do đó cần chèn thêm 128-90 = 38 sóng mang ‘0’. Cho nên số lượng sóng mang thực tế phải dùng cho mỗi ký hiệu OFDM sẽ là 90 + 38 = 128, tuy nhiên 38 sóng mang chèn thêm sẽ không mang dữ liệu người dùng và chúng được đặt là ‘0’. Hình 5.3 sẽ minh hoạ quá trình này: Hình 5.3 Tương thích giữa tốc độ dữ liệu người dùng và số sóng mang Do đó số lượng ký hiệu ‘0’ phải chèn thêm là: ký hiệu. Ta thấy nếu chọn kích thước FFT quá lớn so với 2 lần số sóng mang thì sẽ phải chèn rất nhiều ký hiệu không mang thông tin. Điều này sẽ làm giảm hiệu quả truyền dẫn. Để tạo dạng phổ thực cho tín hiệu OFDM, thì phần còn lại của kích thước FFT (có chiều dài FFT/2 là phần có các mẫu tần số có giá trị cao hơn), sẽ được lấp đầy bằng cách lấy liên hợp phức phần đầu của kích thước FFT (có chiều dài FFT/2 gồm các mẫu tần số có giá trị thấp). Quá trình này được mô tả bằng hình 5.4 dưới đây: Hình 5.4 Sắp xếp các mẫu tần số trong kí hiệu OFDM trước khi biến đổi IFFT Sau khi sắp xếp các mẫu tần số trong ký hiệu OFDM, sẽ thực hiện biến đổi IFFT lên ký hiệu OFDM trong miền tần số. Quá trình này sẽ chuyển tín hiệu OFDM từ miền tần số sang miền thời gian. Bước tiếp theo trong công đoạn mô phỏng tín hiệu OFDM là chèn khoảng bảo vệ, quá trình này được thực hiện cho từng ký hiệu OFDM (xem lại phần 2.5). Cuối cùng ta sẽ được một tín hiệu OFDM có dạng: Hình 5.5 Mô phỏng tín hiệu OFDM trong miền thời gian, [sim_ofdm_signal.m] Thiết lập các thông số khởi tạo cho hệ thống truyền dẫn OFDM thích nghi Trước tiên để hiểu nguyên lý hoạt động của chương trình mô phỏng ta hãy xét các tham số mô phỏng. Bảng 5.2 Thông số mô phỏng hệ thống OFDM thích ứng Tham số Giá trị Tốc độ dữ liệu: Rb 2 Mbps Mức điều chế sóng mang M-QAM M = 2, 4, 16, 64 Tần số lấy mẫu: fs fs Số lượng sóng mang: Nsub 52 - 1024 Kích thước FFT: NFFT NFFT Chu kỳ cơ bản: T 1/ Rb = 0,5 µs Thời gian ký hiệu hữu ích: TFFT TFFT = Nsub ×log2(M) ×T Khoảng thời gian bảo vệ: TG TG Chiều dài ký hiệu OFDM : Tsym = TFFT + TG Thời gian mô phỏng: Tsim Tsim = 0,064 s Cửa sổ Kaiser, β = 10 Mô hình kênh Pha đinh Rayleigh Khoảng thời gian bảo vệ: , n = 1/2, 1/4, 1/8, 1/64 ...., Tần số lấy mẫu: , trong đó Tsym = TFFT + TG, M là số trạng thái điều chế QAM (M = 2 ứng với BPSK), vì các thông số có sự liên quan đến nhau do đó chỉ cần khai báo các thông số: Rb, M, Nsubcarr, NFFT, TG. Từ kích thước file ảnh ta xác định thời gian mô phỏng: Tsim = số lượng bit truyền/ Rb. Trong chương trình mô phỏng, các tham số khởi tạo hệ thống được tập trung vào trong một bảng, giá trị của các tham số được thiết lập khi khởi tạo và có thể thay đổi trong quá trình thực hiện chương trình mô phỏng nếu chọn chức năng điều chế thích nghi. Tất nhiên các tham số sẽ giữ nguyên giá trị như khi khởi tạo nếu không chọn chức năng điều chế thích nghi. Giao diện tham số khởi tạo hệ thống được mở ra có cấu trúc như sau. Để hiểu hoạt động của chương trình mô phỏng DATN trước tiên cần phải hiểu rõ các tham số khởi tạo hệ thống và ảnh hưởng của nó đến hoạt động của hệ thống. Kích thước FFT: Biểu thị bằng nhãn ‘Kích thước FFT’, tham số này chính là số điểm FFT dùng trong một ký hiệu OFDM hay chính là độ dài ký hiệu OFDM. Để đảm bảo phổ OFDM là thực thì kích thước FFT > 2 lần số lượng sóng mang. Kích thước FFT nếu chọn quá lớn sẽ lãng phí băng tần nhưng bù lại sẽ phân năng lượng tín hiệu đều trên các sóng mang, điều này có tác dụng phân tán lỗi. Tuy nhiên nếu kích thước FFT chọn quá nhỏ thì mật độ năng lượng trên mỗi sóng mang con sẽ lớn và nếu bị lỗi thì sẽ gây lỗi cụm. Vì vậy nên chọn giá trị tham số: 2:1< kích thước FFT: số sóng mang 5:1 (5.1) Cụ thể đồ án thiết lập là 255. Số lượng sóng mang: hiển thị bằng nhãn ‘Số sóng mang’, là số lượng sóng mang dùng để truyền dữ liệu cũng phải thoả mãn phương trình (5.1). Số lượng sóng mang càng lớn, thì trễ điều chế càng cao song được lợi về tính phân tập, do sự phân tán lỗi đều trên băng tần của kênh. Mặt khác vì cơ chế thích nghi mà đồ án sử dụng là chọn lọc sóng mang tức là lựa chọn các sóng mang có SNR cao (hay BER thấp) để truyền dữ liệu do đó số lượng sóng mang lớn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng vì khi đó cơ chế chọn lọc sẽ hoạt động hiệu quả hơn, sẽ lựa chọn chính xác các vùng tần số tương đối ổn định trên kênh. Tuy nhiên thường chọn số lượng sóng mang vì tính chất mô phỏng chạy trên phần mềm. Do đó tốc độ xử lý không cao như tốc độ xử lý phần cứng trong thực tế. Trong đồ án số lượng sóng mang sử dụng là 100. Khoảng thời gian bảo vệ: Mỗi ký hiệu đều có một khoảng bảo vệ được gắn trước mỗi ký hiệu và khoảng bảo vệ này được chọn sao cho lớn hơn thời gian trễ cực đại của kênh, thì khi đó các ký hiệu thu trước và sau sẽ không bị chồng lấn lên nhau mà chỉ chồng lấn lên các khoảng bảo vệ tức không có hiện tượng ISI. Vì vậy khoảng bảo vệ trong ký hiệu OFDM có ý nghĩa đặc biệt quan trọng nó giúp tăng chiều dài ký hiệu, chống pha đinh lựa chọn tần số (xem chương 2), đặc biệt chống lại hiện tượng ISI gây thu sai tín hiệu. Theo chuẩn DAB thì khoảng bảo vệ được chọn = 1/4 kích thước FFT và khoảng bảo vệ được gắn phía trước ký hiệu. Tuy nhiên khoảng bảo vệ cũng được chọn lựa theo bất kỳ tỷ lệ nào như: 1, 1/2, 1/4, 1/8, …. Tuỳ theo kích thước FFT là lớn hay nhỏ và giá trị trải trễ cực đại của kênh. Đồ án chọn giá trị khoảng bảo vệ = 1/4 kích thước FFT, trên giao diện nhập dữ liệu khoảng bảo vệ được hiển thị bằng nhãn 'Khoảng bảo vệ' (4 có nghĩa là khoảng bảo vệ = 1/4 kích thước FFT). Ngưỡng BER: Ngưỡng BER là giá trị dùng để thiết lập xem sóng mang nào sẽ được dùng truyền dữ liệu người dùng và sóng mang nào sẽ không sử dụng tức là phải tiến hành chèn ‘0’. Hàm thực hiện chức năng kiểm tra lỗi cho từng sóng mang con là hàm ‘dem_loi’. Hàm này sẽ tính ra giá trị BER của từng sóng mang con và kiểm tra xem nếu sóng mang nào có giá trị BER > BER ngưỡng thì sẽ gán cho phần tử của mảng QĐ tương ứng với vị trí sóng mang này giá trị là ‘1’, tức là không dùng sóng mang này. Sau đó hàm ‘chen_song_mang’ sẽ căn cứ vào giá trị của mảng QĐ mà sẽ quyết định dùng và không dùng sóng mang nào. Nếu ngưỡng BER được thiết lập quá lớn thì sẽ không có tác dụng chọn lọc sóng mang vì các giá trị BER hiện thời trên mỗi sóng mang có thể đều nhỏ hơn giá trị BER ngưỡng. Tuy nhiên nếu thiết lập giá trị BER ngưỡng quá nhỏ thì số sóng mang đảm bảo giá trị BER nhỏ hơn giá trị BER ngưỡng sẽ rất ít do đó tốc độ truyền dẫn sẽ rất chậm do chỉ tiến hành truyền dữ liệu trên một số ít sóng mang. Trong đồ án giá trị BER ngưỡng được thiết lập là 10-3. Tần số Doppler: Do chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát gây ra hiệu ứng Doppler. Điều này dẫn đến phổ tần của các sóng mang con chồng lần quá mức lên nhau làm mất tính trực giao của các sóng mang con. Khi không còn giữ tính trực giao thì năng lượng tín hiệu trên các sóng mang sẽ chồng lấn lên nhau điều này sẽ dẫn tới không còn phân biệt được ranh giới giữa các ký hiệu trên các sóng mang con do đó gây lỗi tại bộ quyết định. Tất nhiên tần số Doppler trong đồ án chỉ là giá trị có ý nghĩa mô phỏng để đảm bảo tính thực tế của mô hình kênh, thông thường tần số Doppler < 100 Hz. Đồ án thiết lập giá trị tần số Doppler là 50 Hz. Hình 5.6 Đáp ứng xung kim của kênh Hình 5.6 cho thấy hình dạng đáp ứng của xung kênh, với ba đường trễ. Tương ứng các giá trị biên độ trên hình vẽ là các giá trị biên độ suy giảm của nhánh trễ của kênh. Trên bảng khởi tạo giá trị ban đầu cho hệ thống AOFDM thì tương ứng với các giá trị này thì hình dạng hàm truyền đạt của kênh sẽ có dạng: Hình 5.7 Hình dạng hàm truyền đạt của kênh Tần số lấy mẫu ký hiệu phát: Mỗi ký hiệu sau khi điều chế ký hiệu OFDM đều được lấy mẫu với tần số lấy mẫu fs. Để đảm bảo lấy mẫu được đầy đủ ký hiệu phát thì tần số lấy mẫu cần thoả mãn định lý Nyquist: tức là tần số lấy mẫu tối thiểu phải gấp hai lần tần số ký hiệu. Số trạng thái điều chế: Trong đồ án dùng phương pháp điều chế chủ yếu là M-QAM, với số trạng thái điều chế thay đổi với các giá trị M = 2, 4, 16, 64. Số trạng thái điều chế ban đầu được thiết lập là giá trị nằm dưới nhãn 'Mức điều chế QAM' trong bảng khởi tạo. Định dạng file truyền: Ở đây ta sẽ tiến hành truyền file hình bằng cách gán file=2. 5.4 Chương trình mô phỏng 5.4.1 Giao diện chương trình mô phỏng Để chạy chương trình mô phỏng AOFDM, từ cửa sổ lệnh của MatLab ta gõ lệnh “DATN”. Dưới đây là phần giao diện bắt đầu của chương trình. Phần giao diện chính của chương trình sẽ được mở khi nhấn chuột vào nút tiếp tục. Trước khi đến với giao diện chính, giao diện minh hoạ hình ảnh dùng để truyền sẽ được mở ra. Hình bên trái với tiêu đề :’ Ảnh dùng để phát’ sẽ là hình ảnh phục vụ cho suốt quá trình mô phỏng. Trục toạ độ còn lại bên phải sẽ hiện ảnh sau khi truyền qua AOFDM. Sau khi hoàn thiện mô phỏng hệ thống thì ảnh này sẽ được mở ra để so sánh giữa chất lượng ảnh gốc và ảnh sau khi truyền qua AOFDM. 5.4.2 Các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng Đồ án sẽ nghiên cứu hoạt động của hệ thống truyền dẫn OFDM khi chỉ dùng một cơ chế thích nghi, khi dùng đồng thời các cơ chế thích nghi và khi không dùng thích nghi. 5.4.2.1 Kết quả mô phỏng không dùng cơ chế thích nghi Tham số ban đầu được thiết lập như giao diện khởi tạo phía trên. Giao diện mô phỏng sẽ như sau: Ta thấy trên ảnh thu được hình thành những vết xước do các sóng mang tại những vị trí kênh biến động lớn sẽ bị lỗi cụm. Ở cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang sẽ giải quyết triệt để vấn đề này. 5.4.2.2 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích nghi mức điều chế Giá trị BER thiết lập trong đồ án cho các mức chuyển được cho trong bảng 5.2. Bảng 5.2Tham số BER điều khiển chuyển mức điều chế Giá trị BER tổng Ngưỡng BER Mức điều chế BER> 0.2 Không thiết lập Không phát BER ≥ 0,1 10-2 BPSK 0.1>BER ≥ 0,01 10-3 4-QAM 10-4 16-QAM 10-5 64-QAM Dưới đây là giao diện hoạt động của cơ chế thích nghi mức điều chế, mức điều chế được thiết lập ban đầu là 4-QAM. các tham số khởi tạo được cho trong giao diện khởi tạo phía trên như phần mô phỏng không sử dụng cơ chế thích nghi. Ta thấy chất lượng ảnh thu được sau mô phỏng tốt hơn so với trường hợp không dùng cơ chế thích nghi một chút, các đường xước nhỏ hơn. Tuy nhiên sự cải thiện QoS này không đáng kể, vẫn xảy ra lỗi cụm. Theo quan sát giá trị BER tổng luôn luôn > 0.01 do đó nếu theo cơ chế thích nghi chọn mức điều chế thì sẽ luôn luôn không đạt mức phát 16-QAM. 5.4.2.3 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang Dưới đây là giao diện hoạt động của cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang, phương pháp điều chế sóng mang con là 4-QAM, các tham số khởi tạo được cho trong giao diện khởi tạo phía trên như phần mô phỏng không sử dụng cơ chế thích nghi. Dùng cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang kết quả là BER tổng luôn xấp xỉ ‘0’ đối với 4-QAM, giá trị này thấp hơn nhiều so với khi không dùng cơ chế thích nghi. Kết quả ảnh thu được sau khi truyền qua hệ thống AOFDM có chất lượng cao hơn rất nhiều so với hệ thống OFDM không dùng cơ chế thích nghi. 5.4.2.4 Kết quả mô phỏng dùng kết hợp hai cơ chế thích nghi chuyển mức điều chế và chọn lọc sóng mang Dưới đây là trường hợp khi kết hợp hai phương pháp thích nghi trên với cùng điều kiện kênh như giao diện khởi tạo phía trên: Ta thấy với điều kiện kênh xấu như vậy mà khi kết hợp hai phương pháp thích nghi trên thì vẫn cho phép mức điều chế lên đến 16-QAM, tất nhiên tần suất xuất hiện của 16-QAM sẽ ít hơn 4-QAM. Tuy nhiên nêu để ý thì ở mức 16-QAM, số sóng mang dùng để truyền dữ liệu sẽ rất ít thường < 55 sóng mang trên tổng số 100 sóng mang, nhưng vẫn đảm bảo được tốc độ truyền dữ liệu người dùng và BER yêu cầu do mức điều chế cao và dùng kết hợp cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang. Điều đặc biệt là không có lần nào hệ thống phải chuyển mức phát BPSK. Vì điều này mà thông lượng của cơ chế thích nghi kết hợp giữa hai cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang và thích nghi mức điều chế lớn hơn hẳn các cơ chế thích nghi độc lập. 5.5 Đánh giá hiệu năng của các cơ chế thích nghi Để quan sát của mỗi lần thực hiện mô phỏng có thể dùng hoặc không dùng cơ chế thích nghi, đồ án đã thiết kế giao diện hiển thị: Hiệu năng BER của hệ thống thông qua kết quả BER trong mỗi lần phát ký hiệu (giá trị hiển thị trên nhãn 'BER' trong phần hiển thị kết quả trên giao diện mô phỏng 'OFDM_S') Hiệu năng thông lượng của hệ thống, được đo bằng số bit/ký hiệu điều chế sóng mang con ví dụ 4-QAM sẽ có thông lượng là 2 bit/ký hiệu. Thông lượng chính là tốc độ bit truyền dữ liệu. Giao diện hiển thị hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng hệ thống sẽ được mở ra ngay khi kết thúc mô phỏng quá trình truyền dữ liệu, để hiển thị kết quả mô phỏng cho trường hợp mới nhất. Dưới đây là giao diện hiển thị hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng cho trường hợp mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM kết hợp cả hai cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang và mức điều chế. Để dễ dàng so sánh hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng của các cơ chế thích nghi khác nhau, cũng như giữa thích nghi và không thích nghi, đồ án đã tổng kết các lần chạy chương trình mô phỏng khác nhau và đưa ra kết quả tổng hợp thông qua giao diện so sánh. Kết quả hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng của hệ thống truyền dẫn OFDM thông qua mô phỏng. Giao diện so sánh hiệu năng và thông lượng sẽ được mở ra khi kích chuột vào nút 'So sánh' trên giao diện đánh giá hiệu năng. Chỉ tiêu so sánh: Gồm hai chỉ tiêu là hiệu năng (BER) và thông lượng (BPS). Đối tượng so sánh: Giữa các hệ thống sử dụng các cơ chế thích nghi, và giữa hệ thống dùng cơ chế thích nghi và hệ thống không dùng thích nghi. Phương pháp so sánh: So sánh hiệu năng BER (QoS) và hiệu năng thông lượng (BPS) của các hệ thống trên, khi số trạng thái điều chế sóng mang con bắt đầu mô phỏng: 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM. Trường hợp 1: Mức điều chế sóng mang thiết lập ban đầu là BPSK, với điều kiện này ta có kết quả: Phân tích kết quả: Hiệu năng BER: Khi điều kiện kênh truyền xấu SNR < 17 dB hệ thống OFDM dùng cơ chế thích nghi mức điều chế và hệ thống OFDM không thích nghi có hiệu năng như nhau do chỉ đảm bảo SNR phát BPSK. Cũng với điều kiên kênh như vậy, hệ thống OFDM dùng cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang và hệ thống OFDM dùng cơ chế thích nghi kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế lại có hiệu năng cao hơn, do hai hệ thống này chỉ truyền dữ liệu trên các vùng đáp ứng kênh tốt. Tuy nhiên hệ thống dùng cơ chế thích nghi kết hợp sẽ cho hiệu năng thấp hơn hệ thống dùng nguyên cơ chế chọn lọc sóng mang. Vì, hệ thống dùng cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang giữ nguyên mức điều chế BPSK, nhưng hệ thống dùng cơ chế thích nghi kết hợp đã đảm bảo BER phát 4 -QAM, mặt khác ở mức 4-QAM hiệu năng sẽ thấp hơn 4-QAM. Khi điều kiện kênh truyền tốt hơn, SNR > 17 dB, ta thấy giữa các hệ thống đã có sự khác biệt rõ ràng. Hệ thống dùng nguyên cơ chế thích nghi chọn lóc sóng mang có hiệu năng cao nhất, do giữ nguyên mức điều chế BPSK và truyền dữ liệu trên vùng đáp ứng kênh tốt. Hệ thống dùng cơ chế thích nghi mức điều chế do đảm bảo BER phát 4-QAM, ở mức này sẽ cho hiệu năng thấp hơn hiệu năng của hệ thống không dùng thích nghi. Hệ thống dùng cơ chế thích nghi kết hợp do đảm bảo BER phát 16-QAM, ở mức này dù có cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang song hiệu năng vẫn thấp hơn hệ thống không dùng thích nghi luôn giữ nguyên mức điều chế BPSK. Nếu chú ý ta sẽ thấy đường thể hiện BER của các hệ thống dùng cơ chế thích nghi mức điều chế có sự nhảy bậc. Điều này xảy ra do sự chuyển mức điều chế, ở mức điều chế cao BER bao giờ cũng cao hơn ở mức điều chế thấp. Hiệu năng thông lượng Đối với hệ thống không dùng một cơ chế thích nghi nào hoặc thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang sẽ có thông lượng không đổi, kết quả so sánh chỉ có ý nghĩa đối với hai cơ chế thích nghi là chuyển mức điều chế (AQAM) và kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế. Khi điều kênh kênh xấu (SNR < 8 dB), hệ thống không thích nghi và hệ thống thích nghi theo mức điều chế có thông lượng như nhau 1 bit/ký hiệu (các hệ thống đều phát BPSK). Song cũng với điều kiện kênh như vậy, hệ thống dùng cơ chế thích nghi kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế đã có thể phát 4-QAM. Đến khi hệ thống thích nghi theo mức điều chế có thể phát ổn định 4-QAM, thì hệ thống dùng cơ chế thích nghi kết hợp đã có thể phát 16-QAM. Tuy số lần phát 4-QAM và 16-QAM tương đương nhau, nhưng như thế thông lượng của hệ thống dùng cơ chế thích nghi kết hợp cũng cao hơn rất nhiều so với các hệ thống khác. Để thấy rõ ưu điểm của các cơ chế thích nghi chuyển mức điều chế ta hãy xét điều kiện kênh truyền tốt hơn, và mức điều chế cao hơn. Trường hợp 2: Mức điều chế sóng mang con thiết lập ban đầu là 4-QAM. Kênh truyền được thiết lập sao cho cơ chế thích nghi chuyển mức điều chế không đạt ngưỡng phát 64-QAM (vì nếu như vậy sẽ không so sánh chọn vẹn hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng giữa các cơ chế thích nghi cho từng mức ngưỡng phát khác nhau). Phân tích kết quả: Hiệu năng BER: Hiệu năng so sánh trong trường hợp này cũng tương tự như trường hợp đầu, hệ thống dùng nguyên cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang vẫn cho hiệu năng cao nhất. Khi SNR > 32 dB ta thấy hiệu năng của hệ thống dùng cơ chế thích nghi chuyển mức điều chế thấp nhất, vì hệ thống phát 16-QAM sẽ có BER cao hơn mức phát 4-QAM cố định của hệ thống không thích nghi. Hệ thống dùng cơ chế thích nghi kết hợp đạt ngưỡng phát 16-QAM rất sớm (SNR > 22 dB), và hiệu năng cũng cao hơn hệ thống dùng nguyên cơ chế chuyển mức điều chế. Hiệu năng thông lượng Thông lượng của hệ thống dùng cơ chế thích nghi kết hợp vẫn tỏ ra ưu thế hơn hệ thống dùng cơ chế chuyển mức điều chế thông thường, hệ thống này đạt ngưỡng phát 4-QAM và 16-QAM sớm hơn hệ thống dùng nguyên cơ chế thích nghi chuyển mức điều chế. Hai trường hợp vừa khảo sát ta chưa thấy ưu điểm rõ rệt của các hệ thống dùng cơ chế thích nghi chuyển mức điều chế, tuy nhiên với điều kiện kênh truyền tốt hơn và mức điều chế sóng mang con thiết lập ban đầu cao hơn ta sẽ thấy ưu điểm của các hệ thống này. Trường hợp 3: Mức điều chế sóng mang con thiết lập ban đầu là 16-QAM. Hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng trong trường hợp này được thể hiện trong giao diện dưới đây: Phân tích kết quả: Hiệu năng BER Trường hợp này hiệu năng so sánh giữa các hệ thống đã khác xa so với hai trường hợp vừa khảo sát. Các hệ thống dùng cơ chế thích nghi chuyển mức điều chế đã chiếm ưu thế hơn hẳn. Nguyên nhân do có sự chuyển mức điều chế từ cao xuống thấp làm BER giảm mạnh, trong khi các hệ thống không dùng cơ chế thích nghi chuyển mức điều chế vẫn giữ nguyên mức điều chế cao (16-QAM). Hiệu năng của cơ chế thích nghi kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế đã cao hơn các hệ thống khác. Song khi SNR cao do hệ thống này đạt mức phát 64-QAM, do đó hiệu năng có phần thấp hơn hệ thống dùng nguyên cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang. Hiệu năng thông lượng Trong trường hợp này vẫn có sự khác nhau về thông lượng giữa hai cơ chế thích nghi: chuyển mức điều chế đơn thuần và kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế. Cơ chế thích nghi kết hợp vẫn tỏ ra hiệu quả hơn hẳn, cả khi SNR thấp và SNR cao hơn. Đặc biệt khi SNR > 35 hệ thống dùng cơ chế thích nghi kết hợp đã có thể phát 64-QAM, trong khi hệ thống dùng nguyên cơ chế thích nghi chuyển mức điều chế chỉ đạt ngưỡng BER phát 16-QAM. Để thấy rõ ưu điểm vượt trội của hệ thống dùng cơ chế thích nghi kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế ta hãy xét trường hợp mức điều chế thiết lập ban đầu là 64-QAM. Trường hợp 4: Mức điều chế sóng mang con thiết lập ban đầu là 64-QAM. Phân tích kết quả Hiệu năng BER Hiệu năng của các hệ thống dùng cơ chế thích nghi chuyển mức điều chế đã chiếm ưu thế tuyệt đối. Trong đó hệ thống dùng cơ chế thích nghi kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế cho hiệu năng cao nhất. Hiệu năng thông lượng Trong trường hợp này các hệ thống không dùng cơ chế chuyển mức điều chế sẽ cho thông lượng cao nhất do giữ nguyên mức điều chế 64-QAM. Tuy nhiên cần lưu ý rằng, hiệu năng BER của các hệ thống này thấp hơn rất nhiều so với các hệ thống dùng cơ chế thích nghi chuyển mức điều chế, do đó sẽ không đảm bảo QoS 5.6 Kết luận chương Chương này đã giới thiệu tính năng của chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM. Phân tích phương pháp mô phỏng tín hiệu OFDM, phân tích các thông số hệ thống truyền dẫn OFDM. So sánh hiệu quả của các hệ thống OFDM sử dụng các cơ chế thích nghi và các hệ thống OFDM không dùng cơ chế thích nghi, tiêu chí so sánh được thể hiện thông qua đánh giá chất lượng ảnh ban đầu và ảnh truyền qua các hệ thống OFDM. Một kết quả rất quan trọng là chương này đã đánh giá hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng của các cơ chế thích nghi khác nhau thông qua mô phỏng, kết quả so sánh giữa các hệ thống sử dụng các cơ chế thích nghi khác nhau và các hệ thống không dùng cơ chế thích nghi cho thấy sự kết hợp của hai cơ chế thích nghi là thích nghi theo mức điều chế (AQAM) và cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang đã đem lại hiệu năng BER cực đại đồng thời hiệu năng thông lượng cũng cao hơn rất nhiều so với các hệ thống chỉ dùng một cơ chế thích nghi độc lập. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Kết luận: Đồ án đã tập trung tìm hiểu, trình bày tương đối chi tiết về kĩ thuật OFDM cũng như kĩ thuật OFDM thích nghi. Trong kĩ thuật AOFDM, đồ án trình bày ba giải thuật chính để tiến hành điều chế thích nghi theo sự biến đổi của kênh truyền. Đó là: thích nghi theo SNR phát trên mỗi sóng mang, thích nghi theo mức điều chế, thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang. Thực hiện các cơ chế thích nghi nhằm tăng cường thông lượng của hệ thống, nâng cao chất lượng truyền dẫn mà ở đây được đánh giá qua hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng. Thông qua chương trình mô phỏng, nhận thấy sự kết hợp của hai cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang và chuyển mức điều chế đã đem lại hiệu năng vượt trội hơn hẳn so với các cơ chế riêng rẽ khác. Hướng phát triển của đề tài: Qua quá trình mô phỏng, ta nhận thấy cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang hoạt động rất hiệu quả, nhưng phương pháp thích nghi theo mức điều chế cần được tối ưu hơn. Trong đồ án cơ chế thích nghi theo mức điều chế sẽ thay đổi mức điều chế trên toàn bộ các sóng mang con một cách đồng loạt như nhau nên hiệu quả mang lại chưa cao. Nếu có thể xây dựng từng sơ đồ thích nghi mức điều chế độc lập cho mỗi sóng mang con thì hiệu quả mang lại sẽ cao hơn. Ngoài ra do quá trình thích nghi theo cơ chế chuyển mức điều chế bị giới hạn bởi ngưỡng SNR mà tại đó các bộ giải mã vẫn có thể làm việc tốt, vì vậy việc nghiên cứu thiết kế các bộ mã tốt thích hợp với hệ thống OFDM điều chế nhiều mức trong điều kiện kênh fading là việc có ý nghĩa quan trọng. Hướng nghiên cứu có thể là thiết kế các mã thích nghi dùng cho OFDM như mã xoắn, mã Turbo, mã RSC,… Xuất phát từ đòi hỏi không ngừng về chất lượng truyền dẫn đa dịch vụ trong các mạng vô tuyến và thông tin di động, để nâng cao khả năng ứng dụng của hệ thống OFDM, bộ mã cần dùng cần có kết cấu bộ mã đơn giản mà vẫn đảm bảo được chỉ tiêu về tỉ lệ lỗi bit BER và thông lượng thông tin BPS của toàn bộ hệ thống. Sau mã Turbo mã BICM-ID được đề xuất nghiên cứu từ những năm 1990 bởi nhóm nghiên cứu X.Li và Ritcey là bộ mã tốt cho truyền dẫn trên kênh đa đường do thừa hưởng ưu điểm của các mã xoắn cơ sở, phương pháp xáo trộn bít, giải mã lặp và các phương pháp khác. Việc ứng dụng bộ mã này kết hợp với OFDM thích nghi sẽ mang lại cho chúng ta một hệ thống mềm dẻo, có hiệu quả cao trong điều kiện truyền dẫn đa đường. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Lý thuyết trải phổ và ứng dụng”. Nhà xuất bản bưu điện 2001. [2] Các tạp chí bưu chính viễn thông. [3] "Adaptive techniques for multiuser OFDM", for the degree of Doctor of Philosophy in Electrical and Computer Engineering, Eric Philip Lawrey, 12 - 2001. [4] .[5] Shinsuke Hara & Ramjee Prasad, MultiCarrier techniques for 4G Mobile Communication [6] Jean-Paul Linnart, Orthogonal Frequency Division Multiplexing, Colorado State University PHỤ LỤC Phát tín hiệu OFDM function [sig_out, so_khoi, so_0, giua_0] = phat(sig_in) % Ham mo phong qua trinh tao va phat tin hieu OFDM % sig_in: tin hieu da qua dieu che so cap (M-QAM hay M-PSK) %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% global dai_fft so_song_mang do_dai bao_ve %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %global use_window do_dai = size(sig_in,2); so_khoi = ceil(do_dai/so_song_mang); phan_du = rem(do_dai,so_song_mang); % Chen 0 vao du lieu thich ung voi so luong song mang if phan_du ~=0 dem = zeros(1,do_dai + so_song_mang - phan_du); dem(1:do_dai) = sig_in; sig_in = dem; end % Dua du lieu vao khoi truyen dan %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%% BIEN DOI NOI TIEP SANG SONG SONG SONG %%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% khoi = reshape(sig_in,so_song_mang,so_khoi); clear sig_in; % Chen them song mang so_song_mang_goc = so_song_mang; so_0 = 0; dung = 1; while dung if ~rem(dai_fft/2,so_song_mang_goc) dung = 0; else so_song_mang_goc = so_song_mang_goc +1; so_0 = so_0 +1; end end clear so_song_mang_goc; % Chen 0 vao khoi truyen de phu hop voi kich thuoc fft khoi_0 = zeros(so_song_mang + so_0,so_khoi); % Chen 0 vao phan dau moi khoi truyen khoi_0(so_0 +1:so_song_mang + so_0,1:so_khoi) = khoi; clear khoi; % Tim so luong so 0 chen giua cac khoi sau khi thich ung do dai fft giua_0 = (dai_fft/2 - (so_song_mang + so_0))/(so_song_mang + so_0); % Sap xep du lieu vao khoi moi de phu hop voi do dai fft khoi_moi = zeros(dai_fft,so_khoi); u = 1; for k = giua_0+1:giua_0+1:dai_fft/2 khoi_moi(k,1:so_khoi) = khoi_0(u,1:so_khoi); u = u+1; end clear khoi_0; % Thich ung voi ham ifft do ham ifft v fft co tinh chu ky % Sau khi lay phan thuc cua ifft duoc du lieu goc voi 100% nang luong khoi_moi(dai_fft:-1:dai_fft/2+2,1:so_khoi) = conj(khoi_moi(2:dai_fft/2,1:so_khoi)); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%% TAO KY HIEU OFDM %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Qua trinh nay se bien doi ifft len khoi du lieu phat khoi_ifft = zeros(dai_fft,so_khoi); for k =1:so_khoi %khoi_ifft(1:dai_fft,k) = real(ifft(khoi_moi(1:dai_fft,k))); khoi_ifft(1:dai_fft,k) = (ifft(khoi_moi(1:dai_fft,k))); end clear khoi_moi; %for k = 1:dai_fft % khoi_ifft(1:so_khoi,k) = real(ifft(khoi_moi(1:so_khoi,k))); %end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%% THEM PHAN BAO VE %%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% if bao_ve khoi_bao_ve = zeros(dai_fft + bao_ve,so_khoi); khoi_bao_ve(bao_ve +1:dai_fft+bao_ve,1:so_khoi) = khoi_ifft; khoi_bao_ve(1:bao_ve,1:so_khoi) = khoi_ifft(dai_fft:-1:dai_fft-bao_ve+1,1:so_khoi); clear khoi_ifft; else khoi_bao_ve = khoi_ifft; clear khoi_ifft; end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%% BIEN DOI SONG SONG SANG NOI TIEP %%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% noi_tiep = reshape(khoi_bao_ve,1,(dai_fft+bao_ve)*so_khoi); clear khoi_ifft; sig_out = noi_tiep; Thu tín hiệu OFDM function [sig_out] = thu(sig_in,so_khoi, so_0, giua_0) % Ham mo phong qua trinh thu tin hieu OFDM global so_song_mang dai_fft do_dai bao_ve %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %LOAI BO PHAN BAO VE VA BIEN DOI NOI TIEP SANG SONG SONG% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% song_song = reshape(sig_in,dai_fft + bao_ve,so_khoi); song_song = song_song(bao_ve +1:dai_fft+bao_ve,1:so_khoi); clear sig_in; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%% BIEN DOI FFT LEN KHOI KY HIEU THU %%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% khoi_fft = zeros(dai_fft,so_khoi); for k =1:so_khoi khoi_fft(1:dai_fft,k) = fft(song_song(1:dai_fft,k)); end clear song_song; % Khoi phuc khoi ky hieu ung voi so song mang them vao khoi_cu = zeros(so_0 + so_song_mang,so_khoi); v = 1; for k = giua_0 +1 :giua_0 +1 :dai_fft/2 khoi_cu(v,1:so_khoi) = khoi_fft(k,1:so_khoi); v = v+1; end clear khoi_fft; % Khoi phuc khoi ky hieu ung voi so song mang ban dau khoi = zeros(so_song_mang,so_khoi); khoi = khoi_cu(so_0 +1:so_song_mang + so_0,1:so_khoi); clear khoi_cu; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%% BIEN DOI SONG SONG SANG NOI TIEP%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% noi_tiep = reshape(khoi,1,so_khoi*so_song_mang); sig_out = noi_tiep(1:do_dai); %q = floor(q0/2); Chèn sóng mang function [sig_out] = chen_song_mang(sig_in,handles) % Ham chen 0 vao cac vi tri song mang co BER cao % Vi tri chen duoc chi ra trong so_chen % so_chen la mot mang co so luong phan tu = so song mang % so_chen(i) = 1 khi song mang thu i bi chen % so_chen (i) = 0 khi giu nguyen song mang thu i global so_song_mang so_chen global ch_chon_loc %global sig_qam_transmites %sig_qam_transmites = [1 1 1 1 1]; %so_song_mang = 2; %so_chen = [1 0 ]; %in = sig_qam_transmites; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% num_carriers_active = so_song_mang - sum(so_chen); set(handles.num_carriers_active,'String',num_carriers_active); clear num_carriers_active; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% if ch_chon_loc n = length(sig_in); k = 1; u = 1; v = 0; data_out = 0; while (k<=n) v = rem(u,so_song_mang); if ~v v = so_song_mang; end if ~so_chen(v) data_out(u) = sig_in(k); u = u+1; k = k+1; else data_out(u) = 0; u = u+1; end end sig_out = data_out; else sig_out = sig_in; end Giải chèn sóng mang function [sig_out] = giai_chen_song_mang (sig_in) % Ham thuc hien viec giai chen '0' tai vi tri cac song mang khong su dung global so_song_mang so_chen global ch_chon_loc if ch_chon_loc n = length(sig_in); data_out = 0; k = 1; u = 1; v = 0; while (k<=n) v = rem(k,so_song_mang); if ~ v v = so_song_mang; end if ~so_chen(v) data_out(u)= sig_in(k); k = k+1; u = u+1; else k = k+1; end end sig_out = data_out; else sig_out = sig_in; end