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 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..................................................................................47 Hình 3.31 Đường bao ký hiệu OFDM với một khoảng bảo vệ phẳng và một khoảng bảo vệ RC chồng lấn......................................................................................................................................48 Hình 3.32 Công suất đường bao bên của tín hiệu OFDM 20 sóng mang con, với chiều dài khoảng bảo vệ RC thay đổi..........................................................................................................49 Hình 3.33 Công suất đường bao bên của tín hiệu OFDM 100 sóng mang con, với chiều dài khoảng bảo vệ RC thay đổi..........................................................................................................49 Hình 3.34 Công suất đường bao bên của tín hiệu OFDM 4000 sóng mang con, với chiều dài khoảng bảo vệ RC thay đổi..........................................................................................................49 Hình 4.1 Khuân dạng một khung truyền dẫn OFDM có gắn các ký hiệu hoa tiêu.....................51 Hình 4.2 Giải thuật FFT...............................................................................................................52 Hình 4.3 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn.............................................................................................53 Hình 4.4 Sơ đồ bộ cân bằng trung bình lỗi bình phương tuyến tính............................................56 Hình 5.1 Quá trình phát triển của các công nghệ đi ều chế thích ứng.........................................60 Hình 5.2 Lưu đồ thuật toán điều chế thích ứng............................................................................61 Hình 5.3 Kiến trúc của các hệ thống điều chê thích ứng..............................................................61 Hình 5.4 Ngưỡng SNR chuyển mức cho cơ chế thích ứng theo sơ đồ điều chế..........................65 Hình 5.5 Mô hình thuật toán thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang cho hệ thống truyền dẫn OFDM..........................................................................................................................................69 Hình 5.6 Lưu đồ thuật toán của khối quyết định..........................................................................70 Hình 5.7 Lưu đồ thuật toán của khối điều khiển chèn.................................................................71 Hình 6.1 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng..........................................75 Hình 6.2 Tương thích giữa tốc độ dữ liệu người dùng và số sóng mang.....................................77 Hình 6.3 Tương thích giữa kích thước FFT và số sóng mang.....................................................78 Hình 6.4 Sắp xếp các mẫu tần số trong ký hiệu OFDM trước khi biến đổi IFFT........................79 Hình 6.5 Mô phỏng tín hiệu OFDM trong miền thời gian...........................................................79 Hình 6.6 Đáp ứng xung kim của kênh.........................................................................................82 Hình 6.7 Hình dạng hàm truyền đạt của kênh..............................................................................82 Thuật ngữ viết tắt AC Alternating Current Dòng xoay chiều (tần số khác ‘0’) AM Adapting Multi-access scheam Thích ứng lược đồ đa truy nhập AOFDM Adaptive Orthogonal Frequency Division Multi-Access Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao thích ứng AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate Tỷ số bit lỗi BPS Bit per symbol Số bit trên một ký hiệu CCI Co-channel interference Nhiễu đồng kênh CF Crest Factor Tham số Crest CINR Carrier to interference plus Noise ratio Tỷ số sóng mang trên nhiễu và tạp âm CIR Channel impulse response Đáp ứng xung kim kênh COFDM Coding Orthogonal Frequency Divistion Multiplex Mã hoá ghép kênh phân chia theo tần số trực giao DAB Digital Audio Broadcast system Hệ thống phát thanh số DAC Digital Analog Converter Bộ chuyển đổi số sang tương tự DC Direct Current Dòng một chiều (tần số bằng ‘0’) DFT Discreat Fourier Transformation Biến đổi Fourier rời rạc DDS Direct Digital Synthesis Đồng bộ số trực tiếp DFE Decision Feed back Equalizer Phản hồi quyết định DMT Discete Multi-Tone Đa tần rời rạ