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

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG  CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM   KHOA VIỄN THÔNG 1  Độc lập - Tự do - Hạnh phúc   --------o0o---------  --------o0o---------   ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Họ và tên : Dương Minh Khiêm Lớp : D2001-VT Khoá : 2001 – 2006 Ngành : Điện tử – Viễn thông TÊN ĐỀ TÀI: "MÔ PHỎNG TRUYỀN DẪN OFDM THÍCH ỨNG TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN" NỘI DUNG ĐỒ ÁN : Phần I: Đặc tính kênh truyền vô tuyến Phần II: Nguyên lý hoạt động của OFDM và AOFDM Phần V: Chương trình mô phỏng Ngày giao đề tài: 27/07/2005 Ngày nộp đồ án: 27/10/2005 Hà Nội, ngày tháng năm 2005 Giáo viên hướng dẫn Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng  Ks. Nguyễn Viết Đảm   NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Điểm: (Bằng chữ: ) Hà Nội, Ngày tháng năm 2005 Giáo viên hướng dẫn Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng  Ks. Nguyễn Viết Đảm   NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN: ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Điểm: (Bằng chữ: ) Ngày tháng năm 2005 Giáo viên phản biện 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. Hà nội, ngày 15 tháng 10 năm 2005 Người làm đồ án Dương Minh Khiêm Mục lục Chương 1: Giới thiệu chung 1 1.1. Những hạn chế của kỹ thuật hiện hành 2 1.2. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM 3 Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động 4 2.1. Mở đầu 4 2.2. Miền không gian 5 2.3. Miền tần số 6 2.3.1. Điều chế tần số 6 2.3.2. Chọn lọc tần số 7 2.4. Miền thời gian 7 2.4.1. Trễ trội trung bình quân phương 7 2.4.2. Trễ trội cực đại 8 2.4.3. Thời gian nhất quán 8 2.5.Quan hệ giữa các thông số trong các miền khác nhau 8 2.5.1. Băng thông nhất quán và trải trễ trung bình quân phương 8 2.5.2. Thời gian nhất quán và trải Doppler 9 2.6. Các loại pha đinh phạm vi hẹp 9 2.7. Phân bố Rayleigh và Rice 10 2.7.1. Phân bố pha đinh Rayleigh 10 2.7.2. Phân bố Pha đinh Rice 12 2.8. Các mô hình kênh trong miền thời gian và miền tần số 13 2.8.1. Mô hình kênh trong miền thời gian 13 2.8.2. Mô hình kênh trong miền tần số 15 2.9. Ảnh hưởng của thừa số K kênh Rice và trải trễ lên các thuộc tính kênh trong miền tần số..................................................................................................................16 2.10. Kết luận 19 Chương 3: Nguyên lý hoạt động của OFDM 21 3.1. Mở đầu 21 3.2. Tính trực giao 21 3.3. Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM 24 3.3.1. Mô tả toán học tín hiệu OFDM 24 3.3.2. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM 25 3.2.2.1. Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song 27 3.3.2.1. Tầng điều chế sóng mang con 27 3.3.2.3. Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 28 3.3.2.4. Tầng điều chế sóng mang RF 28 3.4. Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM 30 3.4.1. Cấu trúc tín hiệu OFDM 30 3.4.2. Các thông số trong miền thời gian TD 31 3.4.4. Quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số. 32 3.4.5. Dung lượng của hệ thống OFDM 33 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.............................................................................34 3.5.1. ISI và giải khắc phục 34 3.5.2 Ảnh hưởng của ICI và giải pháp khắc phục 37 3.5.3 Cải thiện hiệu năng hệ thống truyền dẫn trên cơ sở kết hợp mã hoá Gray 40 3.5.4 Giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống truyền dẫn OFDM 42 3.5.4.1 Phương pháp dùng bộ lọc băng thông 43 3.5.4.2 Phương pháp dùng khoảng bảo vệ cosin tăng 47 3.6 Kết luận 50 Chương 4: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh 51 4.1 Giới thiệu 51 4.2 Ước tính kênh bằng PSAM 51 4.2.1 Nội suy Gauss 52 4.2.2 Nội suy FFT 52 4.2.3 Nội suy Wienner 54 4.3 Kỹ thuật cân bằng đáp ứng kênh 54 4.3.1 Bộ cân bằng cưỡng bức không 55 4.3.2 Bộ cân bằng bình phương lỗi trung bình tuyến tính LMSE 56 4.4 Kết luận 58 Chương 5: Điều chế OFDM thích ứng 59 5.1 Giới thiệu 59 5.2 Mô hình hệ thống truyền dẫn điều chế thích ứng 60 5.2.1 Khái niệm cơ bản về điều chế thích ứng 60 5.2.2 Kiến trúc của những hệ thống điều chế thích ứng 61 5.2.3 Nguyên tắc xây dựng giải thuật điều chế thích ứng 62 5.3 Xây dựng giải thuật thích ứng cho hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng 62 5.3.1 Thuật toán thích ứng theo SNR phát trên mỗi sóng mang con 63 5.3.2 Thuật toán thích ứng dựa theo mức điều chế 64 5.3.3 Thuật toán thích ứng dựa trên cơ chế chọn lọc sóng mang 66 5.6 Kết luận 72 Chương 6: Chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng 73 6.1 Giới thiệu 73 6.2 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng 73 6.2.1 Mô hình mô phỏng 73 6.2.2. Thiết lập các thông số mô hình mô phỏng 76 6.3 Chương trình mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng 84 6.3.1 Giao diện chương trình mô phỏng 84 6.3.2 Các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng 87 6.3.2.1 Kết quả mô phỏng không dùng cơ chế thích ứng 87 6.3.2.2 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng mức điều chế 89 6.3.2.3 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang 92 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 94 6.4 Đánh giá hiệu năng của các cơ chế thích ứng thông qua kết quả mô phỏng 97 6.5 Kết luận 105 Kết luận 106 Tài liệu tham khảo 107 Danh mục bảng Bảng 1.1. Đặc tính dịch vụ của UMTS..............................................................................1 Bảng 1.2. Tham số đặc trưng của các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM.....................2 Bảng 2.1. Các loại pha đinh phạm vi hẹp..........................................................................9 Bảng 2.2. Các đặc tính kênh trong ba miền: không gian, tần số và thời gian................. 20 Bảng 3.1. Mối quan hệ giữa các tham số OFDM ............................................................32 Bảng 3.2 Mã hoá Gray các bit nhị phân.......................................................................... 41 Bảng 3.3 Tham số khoảng bảo vệ RC của IEEE 802.11a............................................... 48 Bảng 5.1 Điều khiển mức điều chế dựa trên các mức SNR thu ......................................65 Bảng 6.1Thông số hệ thống dùng cho mô phỏng tín hiệu OFDM................................... 76 Bảng 6.2 Thông số mô phỏng hệ thống OFDM thích ứng.............................................. 79 Bảng 6.2 Tham số BER điều khiển chuyển mức điều chế............................................... 89 Danh mục hình vẽ Hình 2.1. Tính chất kênh trong miền không gian, miền tần số và miền thời gian.........................5 Hình 2.3 Phân bố xác suất Gauss trong không gian.....................................................................11 Hình 2.4 Phân bố xác suất Rayleigh trong không gian,
..................................................12 Hình 2.5 Phân bố xác suất Rice với các giá trị K khác nhau,
.........................................13 Hình 2.6. Mô hình lý lịch trễ công suất trung bình......................................................................15 Hình 2.7 Phổ tín hiệu OFDM truyền qua mô hình kênh pha đinh Rice, với số sóng mang = 100, kích thước FFT = 300...................................................................................................................17 Hình 2.8. Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh miền tần số vào tần số và RDS.....................18 Hình 2.9. Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh vào K và tần số.............................................18 Hình 2.10. Hàm truyền đạt của kênh khi RDS=30ns với các giá trị K khác nhau.......................19 Hình 3.1 Dạng sóng của một tín hiệu OFDM trong miền thời gian và tần số.............................23 Hình 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.....................................................................................................................23 Hình 3.3 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 5 sóng mang con.............24 Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM........................................................................26 Hình 3.5. Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hoá Gray, và tín hiệu 16-QAM truyền qua kênh vô tuyến, SNR = 18 dB................................................................................................................27 Hình 3.6. Tầng IFFT, tạo tín hiệu OFDM....................................................................................28 Hình 3.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật tương tự..................................................................................................................................................28 Hình 3.8 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số.................29 Hình 3.9. Dạng sóng tín hiệu OFDM trong miền thời gian.........................................................29 Hình 3.10 Tín hiệu OFDM dịch DC, W là băng tần tín hiệu, foff tần số dịch từ DC, fc là tần số trung tâm......................................................................................................................................30 Hình 3.11 Cấu trúc tín hiệu OFDM.............................................................................................30 Hình 3.12 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con................................32 Hình 3.13. Chèn thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM.........................................................35 Hình 3.14. Cấu trúc tín hiệu OFDM trong miền thời gian...........................................................35 Hình 3.15 Hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI.................................................................36 Hình 3.16 Hiệu quả của khoảng bảo vệ để loại bỏ ISI................................................................37 Hình 3.17 Nhiễu nền do ICI đối với số sóng mang con khác nhau............................................38 Hình 3.18 Ảnh hưởng của ICI tới tỷ số tín hiệu trên nhiễu........................................................38 Hình 3.19 Công suất ICI chuẩn hoá đối với tín hiệu OFDM. N=102..........................................39 Hình 3.20 Công suất ICI chuẩn hoá cho sóng mang con trung tâm (fdT=0,2)............................40 Hình 3.21 Sơ đồ IQ điều chế 16-QAM và 16-PSK sử dụng mã hoá Gray..................................41 Hình 3.22 Biểu đồ IQ cho tín hiệu 64-PSK và 128-PSK.............................................................42 Hình 3.23 Biểu đồ IQ cho tín hiệu 64 QAM và 1024-QAM.......................................................42 Hình 3.24 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser với ft = 0.2 Hz, ft = 0.4 Hz, β = 3.4,............... 44 Hình 3.25 Cấu trúc của cửa sổ Kaiser với
, và
...................................................44 Hình 3.26 Phổ của tín hiệu OFDM 52 sóng mang (a) và 1536 sóng mang con (b), không dùng bộ lọc...........................................................................................................................................45 Hình 3.27 Phổ tín hiệu OFDM 20 sóng mang không dùng bộ lọc (a) và dùng bộ lọc với cửa sổ Kaiser với
(b)...................................................................................................................45 Hình 3.28 Phổ tín hiệu OFDM 20 sóng mang, dùng bộ lọc với cửa sổ Kaiser với
........46 Hình 3.29 SNR của mỗi sóng mang con của tín hiệu OFDM khi sử dụng bộ lọc.......................47 Hình 3.30 Cấu trúc của khoảng bảo vệ RC.................................................