Đồ án Mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng trong thông tin vô tuyến (Slide)

Học viện công nghệ Bưu chính Viễn thôngĐỒ ÁNMô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứngNgười thực hiệnLớpGiáo viên hướng dẫnDương Minh KhiêmD2001-VTDr. Nguyễn Phạm Anh DũngEng. Nguyễn Viết ĐảmNội dungA. Nội dungI. Giới thiệuII. Đặc tính kênh vô tuyến di độngIII. Nguyên lý hoạt động của OFDMIV. Giải thuật điều chế OFDM thích ứngV. Chương trình mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứngB. Cơ sở lý luậnNhu cầu sử dụng hệ thống thông tin di động ngày càng gia tăng, tức là 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.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 cho xã hội của các nhà công nghiệp và dịch vụ viễn thông.C. Cơ sở thực tiễnLịch sửFDMATDMACDMASDMAKết hợpOFDMSong các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM hiện nay như: DAB, DVB, HDTV, HiperLANđều không sử dụng cơ chế thích ứng, do đó chưa tối ưu hiệu năng cũng như chưa đối phó hiệu quả đối với những ảnh hưởng bất lợi của kênh truyền vô tuyến di động.Trên cơ sở như vậy đồ án đã chọn chủ đề nghiên cứu giải pháp điều chế thích ứng tín hiệu số trong hệ thống truyền dẫn số nhằm đạt 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”Sử dụng tối ưu phổ tần?Truyền dữ liệu tốc độ cao qua giao diện vô tuyến?Hạn chế của các kỹ thuật hiện hànhCác kỹ thuật trải phổ có khả năng chống lại pha đinh và nhiễu, song tồn tại những yêu cầu không thể thực hiện được chẳng hạn: Nếu người dùng cần có tốc độ 20 Mb/s ở giao diện vô tuyến và hệ số trải phổ là 128 (giá trị điển hình hiện nay), dẫn đến phải xử lý tốc độ 2,56 Gb/s theo thời gian thực, vì thế cần có độ rộng băng tần lớn không thực tế.Các kỹ thuật đơn sóng mang đối phó kém hiệu quả đối với pha đinh và truyền lan đa đường, đặc biệt trong trường hợp tốc độ bit caoI. Giới thiệuI. Giới thiệuYêu cầuTruyền thông đa phương tiện không những yêu cầu băng thông rộng mà còn QoS cao Làm thế nào truyền dữ liệu tốc độ cao qua giao diện vô tuyến mà vẫn đảm bảo QoS. Tuy đã có các biện pháp như cân bằng thích ứng song gặp trở ngại về thời gian thực ở tốc độ cao vài Mb/s với chi phí thấpGiải pháp Cần tìm kỹ thuật điều chế có khả năng dung hòa các yêu cầu đối ngược nhau theo cách tốt nhất có thểI. Giới thiệuGhép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM OFDM là giải pháp phân tập tần số.OFDM đạt hiệu suất sử dụng băng tần caoOFDM cho phép giảm ảnh hưởng của trễ đa đường và và kênh pha đinh lựa chọn tần sốDo trải rộng pha đinh lên nhiều ký hiệu, nên làm ngẫu nhiên hóa lỗi cụmTính khả thi của OFDM cao do ứng dụng triệt để công nghệ xử lý tín hiệu số và công nghệ vi mạch VLSIƯu điểmOFDMỨng cử viên hứa hẹn truyền dẫn tốc độ caoI. Giới thiệuOFDM nhậy cảm với dịch Doppler cũng như lệch tần giữa các bộ dao động nội phát và thuVấn đề đồng bộ thời gian. Tại máy thu khó quyết định thời điểm bắt đầu FFTGiá trị PAPR caoNhược điểmĐặc tính kênh vô tuyến di độngII. Đặc tính kênh vô tuyến di độngSuy hao (attenuation): Cường độ trường yếu đi theo khoảng cách, giá trị suy hao điển hình trong khoảng 50 – 150 dB tùy vào khoảng cách. Suy hao gây pha đinh phạm vi rộngChe chắn (shadowing): Chướng ngại vật giữa máy phát và máy thuTạp âm (Noise): tạp âm nhiệt (cũng có thể tạp âm khác) xuất hiện trong tín hiệu và làm giảm chất lượng việc tách tín hiệuPha đinh đa đường và phân tán thời gian: Phản xạ và nhiễu xạ làm méo tín hiệu thu bằng cách trải rộng nó theo thời gian. Phụ thuộc vào băng tần hệ thống, làm thay đổi cường độ tín hiệu, có thể gây ISIII. Đặc tính kênh vô tuyến di độngNhiễu (Interference): Các máy phát khác dùng cùng tần số hoặc dùng các tần số lân cận với nó có thể gây giao thoa với các ký hiệu mong muốn.Đặc tính kênh chọn lọc tần số: Một tần số được tăng cường trong khi đó các tần số khác bị suy haoCác kênh vô tuyến là các kênh mang tính ngẫu nhiên: nó có thể thay đổi từ các đường truyền thẳng đến các đường bị che chắn nghiêm trọng đối với các giá trị khác nhauII. Đặc tính kênh vô tuyến di độngHình (a)Hình (b)Hình (c)II. Đặc tính kênh vô tuyến di độngMiền không gianMiền tần sốMiền thời gianThông sốd;Thăng giáng ngẫu nhiênBD;Nhược điểmChọn lọc không gianChọn lọc tần sốChọn lọc thời gianGiải phápMIMOOFDMThích ứngMục đíchLợi dụng đa đườngPha đinh phẳngPha đinh chậmBảng 2.2 Các đặc tính kênh trong ba miền: không gian, tần số và thời gianII. Đặc tính kênh vô tuyến di độngHình 2.7 Phổ tín hiệu OFDM truyền qua mô hình kênh pha đinh Rice, với số sóng mang = 100, kích thước FFT = 256, [sim_ofdm_spectrum.m]Nguyên lý hoạt động của OFDMIII. Nguyên lý hoạt động của OFDMNguyên lýPhân chia toàn bộ băng thông cần truyền vào nhiều sóng mang con và truyền đồng thời trên các sóng mang này.Luồng số tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn. Vì thế có thể giảm ảnh hưởng của trễ đa đường và chuyển đổi kênh pha đinh chọn lọc tần số thành kênh pha đinh phẳngIII. Nguyên lý hoạt động của OFDMTính trực giaoOFDM truyền dẫn song song đồng thời nhiều băng con chồng lấn nhau trên cùng một độ rộng băng tần cấp phát của hệ thốngLàm thế nào để tách các băng con từ băng tổng chồng lấn hay nói cách khác chúng không giao thoa trong miền tần số và miền thời gianVấn đề mấu chốt của truyền dẫn OFDM là nhờ tính trực giao của các sóng mang conIII. Nguyên lý hoạt động của OFDM Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là si(t) và sj(t). Để đảm bảo tính trực giao cho OFDM, các hàm sin của các sóng mang con phải thỏa mãn: Định nghĩa trực giaoIII. Nguyên lý hoạt động của OFDMHình 3.2 Hình dạng phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang, hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM, [sim_ofdm_mc.m]III. Nguyên lý hoạt động của OFDMHình 3.3 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 5 sóng mang con, [plot_ofdm_mc.m]III. Nguyên lý hoạt động của OFDMTín hiệu OFDM phát phức băng tần gốc được xác định như sau:T là độ dài ký hiệu OFDMTFFT là thời gian FFT, phần hiệu dụng của ký hiệu OFDMTG là thời gian bảo vệ, thời gian của tiền tố chu trìnhTwin là thời gian mở cửa tiền tố và hậu tố để tạo dạng phổf = 1/TFFT là phân cách tần số giữa hai sóng mangN là độ dài FFT, số điểm FFTk là chỉ số về ký hiệu được truyềnMô tả toán học tín hiệu OFDMIII. Nguyên lý hoạt động của OFDMTín hiệu đầu ra của bộ điều chế RF được xác định như sau:Trong đó fc là tần số sóng mang RFIII. Nguyên lý hoạt động của OFDMIII. Nguyên lý hoạt động của OFDMIII. Nguyên lý hoạt động của OFDMIII. Nguyên lý hoạt động của OFDMHình 3.27 Phổ tín hiệu OFDM 52 sóng mang không dùng bộ lọc (a) và dùng bộ lọc với cửa sổ Kaiser với (b), [sim_ofdm_spectrum.m]Hình 3.26 Phổ của tín hiệu OFDM 52 sóng mang (a) và 1536 sóng mang con (b), không dùng bộ lọc, [sim_ofdm_spectrum.m](a)(b)(a)(b)III. Nguyên lý hoạt động của OFDMCác nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng hệ thống truyền dẫn OFDM và các giải pháp khắc phụcNguyên nhân: Do tính chọn lọc, tính phụ thuộc thời gian và tính bất ổn định của kênh pha đinh gây ra giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) truyền qua nóHậu quả: Máy thu quyết định ký hiệu sai, khó khăn trong việc khôi phục định thờiGiải pháp: Chèn khoảng thời gian bảo vệNhiễu giao thoa giữa các ký hiệu ISIIII. Nguyên lý hoạt động của OFDMHình 3.16 Hiệu quả của khoảng bảo vệ để loại bỏ ISIIII. Nguyên lý hoạt động của OFDMNguyên nhân: Do tính chọn lọc tần số của kênh pha đinh (chủ yếu là hiện tượng dịch Doppler)Hậu quả: Máy thu không phân biệt được ranh giới giữa các ký hiệu truyền trên các sóng mang con (quyết định sai ký hiệu mất tính trực giao) Giải pháp: Chèn khoảng thời gian bảo vệ một cách tuần hoàn, dùng bộ cân bằng PSAMNhiễu giao thoa giữa các sóng mang ICIIII. Nguyên lý hoạt động của OFDMHình 3.17 Nhiễu nền do ICI đối với số sóng mang con khác nhau, [sim_var_ICI.m]III. Nguyên lý hoạt động của OFDMHình 3.18 Ảnh hưởng của ICI tới tỷ số tín hiệu trên nhiễu, [sim_SNR_ici.m]III. Nguyên lý hoạt động của OFDMHình 3.19 Công suất ICI chuẩn hoá đối với tín hiệu OFDM. N=102, [sim_var_ici_smtt_sm_b.m]III. Nguyên lý hoạt động của OFDM là một phương pháp mà các điểm IQ cạnh nhau trong chòm sao sẽ chỉ khác nhau một bit. Mã hoá Gray cho phép tối ưu tỷ số lỗi bit và giảm xác suất lỗi nhiều bit xuất hiện trong một ký hiệu đơn. Thường tiến hành mã hoá Gray khi điều chế M-QAM hay M-PSK Mã hoá GrayIII. Nguyên lý hoạt động của OFDMHình 3.21 Sơ đồ IQ điều chế 16-QAM và 16-PSK sử dụng mã hoá GrayIII. Nguyên lý hoạt động của OFDMDung lượng hệ thống OFDMĐiều chế OFDM thích ứngIV. Điều chế OFDM thích ứngKênh vô tuyến thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, giới hạn hiệu năng và thông lượng truyền dẫnThích ứng động tham số điều chế ứng với các tham số tức thời của kênhKênh tốt các giá trị này sẽ thay đổi các tham số điều chế sao cho thu được thông lượng hệ thống lớnKênh xấu các giá trị sẽ điều khiển các tham số điều chế sao cho giảm thông lượng hệ thống để đảm bảo QoSHệ thống không dùng điều chế thích ứng, sử dụng các tham số điều chế cố định để đảm bảo QoS tại trạng thái tồi nhất của kênh và hệ thống sẽ có thông lượng như nhau tại mọi thời điểmIV. Điều chế OFDM thích ứngIV. Điều chế OFDM thích ứngIV. Điều chế OFDM thích ứngIV. Điều chế OFDM thích ứngXây dựng giải thuật điều chế thích ứng cho hệ thống truyền dẫn OFDMTối ưu hiệu năng hệ thống truyền tin (thông lượng, BER)Thích ứng các thông số điều chế theo chất lượng kênh hiện thờiDựa theo thông số điều chế được chọn thích ứngCơ sởPhân loạiIV. Điều chế OFDM thích ứngThích ứng theo SNR phát trên mỗi sóng mang conThích ứng theo mức điều chế (AQAM)Thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mangIV. Điều chế OFDM thích ứngIV. Điều chế OFDM thích ứngIV. Điều chế OFDM thích ứngIV. Điều chế OFDM thích ứngIV. Điều chế OFDM thích ứngIV. Điều chế OFDM thích ứngIV. Điều chế OFDM thích ứngChương trình mô phỏngV. Chương trình mô phỏngV. Chương trình mô phỏngBảng 6.2 Thông số mô phỏng hệ thống OFDM thích ứngTham sốGiá trịTốc độ dữ liệu: Rb2 MbpsMức điều chế sóng mang M-QAMM = 2, 4, 16, 64Tần số lấy mẫu: fsfs Số lượng sóng mang: Nsub52 - 1024Kích thước FFT: NFFTNFFTChu kỳ cơ bản: T1/ Rb = 0,5 µsThời gian ký hiệu hữu ích: TFFTTFFT = Nsub ×log2(M) ×TKhoảng thời gian bảo vệ: TG TGChiều dài ký hiệu OFDM : TsymTsym = TFFT + TGThời gian mô phỏng: TsimTsim = 0,064 sCửa sổKaiser, β = 10Mô hình kênhPha đinh RayleighV. Chương trình mô phỏngV. Chương trình mô phỏngV. Chương trình mô phỏngHình 6.7 Hình dạng hàm truyền đạt của kênhV. Chương trình mô phỏngV. Chương trình mô phỏngV. Chương trình mô phỏngKết quả mô phỏng không dùng cơ chế thích ứngKết quả mô phỏng không dùng cơ chế thích ứngKết quả mô phỏng không dùng cơ chế thích ứngKết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng mức điều chếKết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng mức điều chếKết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng mức điều chếKết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mangKết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mangKết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mangKết quả mô phỏng kết hợp cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang và mức điều chếKết quả mô phỏng kết hợp cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang và mức điều chếKết quả mô phỏng kết hợp cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang và mức điều chếKết quả mô phỏng kết hợp cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang và mức điều chếĐánh giá kết quả mô phỏngVI. Đánh giá hiệu năng hệ thống OFDM thích ứngVI. Đánh giá hiệu năng hệ thống OFDM thích ứngVI. Đánh giá hiệu năng hệ thống OFDM thích ứngVI. Đánh giá hiệu năng hệ thống OFDM thích ứngChạy chương trình mô phỏngKết luậnXin chân thành cảm ơn thầy cô, quý khách và các bạn đã quan tâm theo dõi!