Các phƣơng pháp giảm PAPR trong OFDM và MIMO

Nội dung text: Các phƣơng pháp giảm PAPR trong OFDM và MIMO

1. CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR TRONG OFDM VÀ MIMO PAPR REDUCTION METHODS IN OFDM AND MIMO Phạm Hồng Liên, Trường Đại học sư phạm Trần Thị Xuân Quí, Khoa Điện – Điện tử, kỹ thuật TPHCM. Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Tp. HCM Email: phamhonglien2005@yahoo.com Email: tranthixuanquy@quangtrung.edu.vn TÓM TẮT OFDM là môt kỹ thuật rất hấp dẫn đối vơí hệ thống thông tin tỷ lệ bit cao. Một nhược điểm chính của OFDM là tỷ số PAPR cao của đầu ra bộ phận phát. Một số kỹ thuật đã được đề xuất cho giảm PAPR trong hệ thống OFDM. Trong bài báo này một vài kỹ thuật được tiếp cận để giảm PAPR: phương pháp ánh xạ chọn lọc (SLM), phương pháp chuỗi phát từng phần (PTS) trong OFDM và phương pháp đảo và quay anten chéo (CARI) trong MIMO. ABSTRACT Othogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is an attractive transmission technique for high-bit-rate communication systems. One major drawback of OFDM is high Peak – to – Average Power Ratio (PAPR) of the transmitter’s output signal. Number of techniques have been proposed for reducing the PAPR in OFDM systems. In this paper the various techniques approached for reducing the PAPR: selected mapping (SLM), partial transmit sequences in OFDM and Cross antenna Rotation and Inversion (CARI) in MIMO. Key: OFDM, MIMO, PAPR 1. Giới thiệu Với sự phát triển nhanh chóng của là WIMAX (IEEE 802.16d). Bên cạnh thông tin số không dây trong những năm nhưng ưu điểm nổi bật cũng có một vài gần đây, sự cần thiết cho việc truyền dữ hạn chế khi sử dụng OFDM trong một số liệu di động tốc độ cao được tăng lên. hệ thống truyền dẫn và nhược điểm chính OFDM (Orthogonal Frequency Division đó là tín hiệu được phát có PAPR rất cao. Multiplexing) là một kỹ thuật rất hấp dẫn Việc giảm PAPR đã rất hấp dẫn đối trong truyền dữ liệu tốc độ cao thông tin di với các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực động. OFDM là một trường hợp đặc biệt thông tin liên lạc không dây và đã có nhiều của phương pháp điều chế đa sóng mang, giải pháp được đề xuất. Trong số những trong đó các sóng mang phụ trực giao với giải pháp đó, phương pháp không làm méo nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng tín hiệu rất hấp dẫn . mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà Trong bài báo này, hai phương pháp phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu giảm PAPR trong OFDM được tiếp cận đó ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm là phương pháp chuỗi phát từng phần cho hệ taihống OFDM có hiệu suất sử (PTS) và ánh xạ chọn lọc (SLM). Hai dụng phổ lớn hơn nhiều. phương pháp này thuộc nhóm không làm Do nó có các thuận lợi như hiệu suất méo tín hiệu. Ý tưởng của phương pháp phổ cao, triệt nhiễu Fading mạnh, miễn trừ PTS là kết hợp tối ưu của tín hiệu quay kênh nhiễu. Trong những năm gần đây, pha khối phụ để tối thiểu công suất đỉnh, cùng với sự ra đời của các chip FFT có trong khi đó phương pháp SLM thì dữ liệu dung lượng lớn, OFDM đã được ứng dụng trong miền thời gian được nhân với tập rộng rãi trong các hệ thống thông tin thế hệ chuỗi độc lập thống kê và tín hiệu miền mới như truyền hình quảng bá số mặt đất thời gian tương ứng với PAPR thấp nhất (DVB - T) [8], phát thanh số (DAB), hệ được chọn và phát đi. Cả hai phương pháp thống WLAN chuẩn IEEE 802.11 như truy đã cải tiến PAPR và cần số bit thông tin cập không dây dải sóng rộng (BWA), nhất phụ để khôi phục tín hiệu OFDM ban đầu 1
2. ở bên nhận. Còn trong MIMO nghiên cứu = , , , (3) phương pháp đảo và quay anten chéo 0 1 퐿 −1 Với L là hệ số vượt trội thời gian. (Coss - Antenna Rotation Inversion - CARI). , = 1,2, , thu được bằng cách 2. PAPR trong hệ thống OFDM thực hiện IDFT. PAPR cao là một trong những vấn đề Các chuỗi từng phần này được quay độc 푗 휃 chính liên quan đến điều chế OFDM. Kết lập bởi hệ số pha 푃 = 푒 , = quả PAPR cao từ bản chất của điều chế 1,2, , với 휃 phân bố đều trên 0,2 . chính nó nơi mà nhiều sóng mang Tập hệ số pha được biểu thị như một vecto: phụ/sóng hình sin được thêm vào để tạo 푃 = [푃1, 푃2, , 푃 ]. Tín hiệu miền thời gian thành các tín hiệu được truyền đi. Khi N sau khi kết hợp được như sau: sóng hình sin thêm vào, độ lớn đỉnh sẽ có ( ) giá trị N, giá trị trung bình có thể khá thấp = 푃 (4) do sự triệt tiêu giao thoa giữa các sóng =1 hình sin. Tín hiệu PAPR cao thường làm Cuối cùng tìm tập hệ số pha tối thiểu biến dạng mạch tương tự [5]. Tín hiệu để PAPR có giá trị thấp nhất. PAPR cao sẽ yêu cầu một dải động tuyến Số bit thông tin phụ để khôi phục tín tính lớn từ các mạch tương tự dẫn đến các hiệu ban đầu bên nhận là (M-1)log2S (S là thiết bị đắt tiền và tiêu thụ công suất cao hệ số góc pha). với hiệu quả thấp hơn. 3.2 Phƣơng pháp SLM [1][3] Trong hệ thống OF DM, một số chuỗi Xét một khối dữ liệu OFDM X X , X , X , , X với n=0, ,N-1, đầu vào sẽ dẫn đến PAPR cao hơn. Ví dụ,  0 1 2 N 1  một chuỗi đầu vào mà yêu yêu cầu tất cả và V chuỗi dữ liệu khác pha với {v = các sóng mang để phát dĩ nhiên biên độ tối 1,2,3, ,V}. Khi đó ta có V khối dữ liệu đa của chúng sẽ dẫn đến PAPR đầu ra cao. Xn được tạo ra bằng cách nhân chuỗi X với Do đó bằng cách giới hạn chuỗi đầu vào tất cả các chuỗi khác pha Bv. Sau khi biến có thể có để có một bộ phận phụ nhỏ nhất, đổi IDFT ta sẽ có V tín hiệu có PAPR nên có thể sẽ có được tín hiệu đầu ra với khác nhau. Trong số chúng ta chọn một tín một PAPR đầu ra đảm bảo thấp. hiệu có PAPR thấp nhất để truyền đi. PAPR của tín hiệu phát x(t) là tỷ số arg 푖푛 푣 = 1≤푣≤ 푃 푃푅( ) (5) của công suất tức thời tối đa và công suất Tín hiệu đa sóng mang trong miền thời trung bình. 2 gian được biểu diễn như sau: [ 푡 ] −1 푃 푃푅 = 0≤푡≤ (1) 2 푣 1 푗2 ∆ 푡 { (푡) } 푡 = 푛 . 푣,푛 . 푒 (6) Trong đó . là toán tử trung bình. 푛=0 3.Các phƣơng pháp giảm PAPR Trong đó: 3.1 Phƣơng pháp PTS [3][1] 0 ≤ 푡 ≤ , 푣 = 1,2, , , ∆ = 1/ , Ở phương pháp này, khối dữ liệu đầu T là chu kỳ của khối dữ liệu. vào đuợc chia thành M khối phụ và được Tương tự như phương pháp PTS, biêu diễn bởi vecto {X(m), m = 1, 2, , M} thông tin về pha của chuỗi được chọn bên như ở hình 1. Do đó chúng ta có thể viết phía phát phải được gửi đến phía thu để như sau: phục hồi lại dữ liệu như ban đầu. Do đó số bit thông tin phụ yêu cầu là log2V. = ( ) (2) =1 ( ) ( ) ( ) ( ) Trong đó = [ 0 , 1 , , −1] (1 ≤ ≤ ) Sau đó, khối phụ được chuyển sang miền thời gian. 2
3. 1 IDFT Partitio T 1 n into Partitio blocks 2 2 IDFT And X n into Data serial blocks sourc ⋮ to e parallel IDFT Optimination for P Hình 1: Sơ đồ phương pháp PTS IDFT Select Partition IDFT one into X Data with blocks source lowest And PAPR serial to parallel IDFT Hình 2: Sơ đồ phương pháp SLM phân tập STBC. Ta có thể chứng minh 3.3 Phƣơng pháp CARI trong MIMO được rằng 푣à ± ∗ có tỷ số PAPR CARI là một phương pháp xáo trộn để 푖 푖 giống nhau. Và như vậy với sự phân tập sử giảm PAPR cho tín hiệu STBC MIMO- dụng STBC, việc giảm PAPR chỉ cần thực OFDM trong hệ thống MIMO-OFDM hiện trên một chu kỳ ký tự. cóN anten phát [7]. Trong phương pháp T Với x(n) là biến đổi IDFT của dãy rời này, dãy tín hiệu OFDM trong mỗi anten rạc X(k) ta có: phát được chia thành M khối nhỏ có kích 푛 = 퐹 thước bằng nhau, các khối này được trao −1 đổi và đổi dấu trên tất cả anten phát. Việc 1 푗2 푛 = 푒 (7) làm này tạo ra 2 hoán vị từ dãy tín hiệu OFDM lúc đầu. Đối với mỗi hoán vị =0 X(k) có thể viết dưới dạng tổng của chúng ta sẽ tính PAPR tương ứng và sau X (k) và X (k) như sau: đó sẽ chọn ra PAPR tốt nhất để truyền đi ep op = + (8) theo tiêu chuẩn minmax. 푒 표 Giả sử rằng trong hệ thống MIMO- Trong đó: 1 ∗ OFDM, kênh truyền là phẳng ít nhất là 푒 = + − (9) trong 2 chu kỳ ký tự OFDM để thực hiện 2 1 ∗ 표 = − − (10) 2 3
4. Thực hiện phép biến đổi IDFT cho khi biến đổi IDFT, vì vậy nó sẽ cho ra tỷ X(k) ta được: số PAPR như nhau. Tương tự ta cũng có X(k) và − ∗ 퐹 = 퐹 푒 + 표 có tỷ số PAPR giống nhau. = 퐹 ] 푒 Như vậy sau khi thực hiện giảm PAPR + 퐹 [ 표 (11) trên Xi, chúng ta sẽ tìm được Xi nào tối ưu Từ pt (5), biến đổi IDFT của 푒 và được PAPR và sẽ truyền đi trên chu kỳ ký 표 cho bởi pt sau: tự thứ nhất ( 1푣à 2). Và trong suốt chu 1 kỳ thứ hai ta sẽ truyền đi 2 ký tự là 퐹 푒 = 퐹 [ [ ∗ ∗ 2 − 2 푣à 1 với tỷ số PAPR cũng tối ưu. + ∗ − ] 1 = 푛 + ∗ 푛 2 = 푅푒 푛 (12) 1 퐹 = 퐹 [ [ 표 2 − ∗ − ] 1 = 푛 − ∗ 푛 2 = 푗 푛 (13) Từ (12) và (13), phương trình (11) có thể viết lại như sau: 퐹 [ ] = 푅푒[ 푛 ] + 푗 푛 (14) Hình 3: Mô hình phương pháp CARI Tương tự ∗( ) được viết lại: 4. Kết quả mô phỏng ∗ ∗ ∗ = 푒 + 표 (15) 4.1 Kết quả mô phỏng trong OFDM Trong đó: Để kiểm tra cấu hình của PTS và SLM, 1 ta thực hiện với 104 ký tự OFDM với N = ∗ = − + ∗ 푣à 푒 2 256 sóng mang. Thực hiện điều chế theo 1 QPSK. ∗ = − − − ∗ (16) 표 2 Ta thực hiện mô phỏng với khối phụ là ∗ 퐹 [ 푒 ] = 퐹 [− 푒 − ] 4 đối với 2 phương pháp. 1 M=4 = 퐹 − + ∗ 0 2 10 Orignal 1 ∗ = −푛 + −푛 = 푅푒 −푛 17 PTS 2 -1 ∗ 10 퐹 [ 표 ] = 퐹 [− 표 − ] 1 = 퐹 − − − ∗ 2 -2 1 10 = − −푛 − ∗ −푛 2 = −푗 −푛 (18) CCDF (Pr[PAPR>PAPR0])CCDF -3 Biến đổi IDFT của ∗( ) 10 ∗ ∗ ∗ 퐹 = 퐹 푒 + 표 ∗ = 퐹 푒 ] -4 ∗ 10 + 퐹 [ 표 5 6 7 8 9 10 11 12 = 푅푒 −푛 − 푗 −푛 (19) PAPR0 [dB] Từ phương trình (13) và (19) ta có thể Hình 4: CCDF của PAPR điều chế theo QPSK thấy được rằng X(k) và ∗ có giá trị với N= 256 theo phương pháp PTS, trường hợp đỉnh và giá trị trung bình giống nhau sau M=4 4
5. SLM cầu của từng hệ thống mà ta chọn kỹ thuật 0 10 giảm PAPR thích hợp. Orignal SLM 4.2 Kết quả mô phỏng phƣơng pháp CARI trong MIMO -1 10 Ta thực hiện mô phỏng với 2 anten phát. Phương pháp CARI thực hiện dựa trên sự phân tập STBC. Dữ liệu đầu vào được điều chế theo QPSK với số sóng mang con là 256. -2 10 Số ký tự OFDM truyền đi là 103. Ta thực hiện với M = 4 khối phụ Số bit thông tin phụ là M.log24 = 2M = 8 CCDF (Pr[PAPR>PAPR0])CCDF -3 10 CARI voi M=4 0 10 goc cari -4 10 5 6 7 8 9 10 11 12 PAPR0 [dB] -1 Hình 5: CCDF của PAPR điều chế theo 10 QPSK với N = 256, sử dụng phương pháp SLM ở trường hợp V=4 ccdf Bảng 1: So sánh giữa phương pháp PTS -2 10 và SLM với N=256 PAPR sau khi Số -3 sử bit 10 PAPR 4 5 6 7 8 9 10 11 12 PAPR dụng thông papr(dB) Phương được gốc phương tin pháp giảm (dB) pháp phụ Hình 6: CCDF cuả PAPR điều chế theo QPSK (dB) giảm cần với N = 256 ở trường hợp M =4. PAPR thiết (dB) Ở hình 6, ta thấy đường màu xanh là phân bố PAPR của tín hiệu OFDM ban PTS với 11,4 9,7 1,7 3 đầu có PAPR là 8,8006 dB, đường màu đỏ M=4,S=2 hiển thị giá trị PAPR sau khi sử dụng SLM với phương pháp CARI là 11,5 dB. Như vậy, 11,3 8,6 2,7 2 V=4 sau khi sử dụng phương pháp CARI PAPR giảm được 2,7 dB. Qua bảng 1, ta thấy với trường hợp sử dụng 256 sóng mang con, thì phương pháp PTS giảm PAPR ít hơn so với SLM và số bit thông tin phụ cần cho phương pháp PTS nhiều hơn SLM. Như vậy, đối với phương pháp SLM sẽ làm tốt hơn PTS về giảm PAPR. Nhưng PTS được coi là tốt hơn SLM về sự phức tạp hệ thống. Do đó ta thấy không có phương pháp nào tối ưu hơn phương pháp nào. Vì vậy tùy vào yêu 5
6. CARI voi M=16 Tài liệu tham khảo 0 10 goc [1] Tao Jiang, Member, IEEE and cari Yiyan Wu, Fellow, IEEE, “An Overview: Peak – to – Average Power Ratio -1 Reduction Techniques for OFDM Signals”, 10 IEEE Trans on Broadcasting, vol. 54, No. 2, pp.257-268, June 2008. [2] G. Lu, P. Wu and D. Aronsson, ccdf “Peak – to – Average Power Ratio -2 10 reduction in OFDM using Cyclically Shifted Phase Sequences”, IET Commun, 2007, 1, (6), pp. 1146 – 1151. [3] Seung Hee Han, Stanford University and Jae Hong Lee, Seoul -3 10 4 5 6 7 8 9 10 11 12 National University, “An overview of Peak papr(dB) – to – Average Power Ratio reduction Hình 7: Mô phỏng trường hợp M = 16 techniques for multicarrier transmission”, Qua hình 7, ta thấy khi tăng số khối IEEE Wireless Communications, pp. 56 – phụ lên M =16 thì PAPR ở mức 8dB. Lúc 65, April 2005. đó PAPR giảm được khoảng 3,5 dB so với [4] Abhishek Arun Dash and Vishal PAPR của tín hiệu ban đầu. Gagrai, “OFDM Systems and PAPR Nhận xét: Ta thấy khi càng tăng M thì reduction techniques in OFDM systems”. PAPR càng giảm, số bit thông tin phụ càng [5] V.Viayarangan, DR. (MRS) R. tăng. Khi ta tăng M từ 4 lên 16 khối phụ Sukanesh, “An overview of techniques for thì PAPR giảm thêm gần 1dB. Nhưng đối reduction peak to average power ratio and với phương pháp này khi M lớn thì không its selection criteria for orthogonal khả thi bởi vì chúng sẽ có đến một số frequency division multiplexing radio lượng lớn 4M các trường hợp để xét PAPR systems”, Journal of Theoretical and tốt nhất. Do đó sẽ khó thực hiện vì nó quá Applied Information Technology, p.p 25 – phức tạp. 36, 2005 – 2009 JATIT. 5. Kết luận [6] Jing Gao, Jinkuan Wang and OFDM là một kỹ thuật rất hấp dẫn cho Zhibin Xie, “Peak to average power ratio truyền dẫn tốc độ cao. PAPR là một trong reduction for MIMO – OFDM systems những vấn đề quan trọng được giải quyết with Decomposed Selected Mapping”, trong sự phát triển hệ thống truyền dẫn đa International journal of information and sóng mang. Ở bài báo này tác giả nghiên systems sciences, vol 3, p.p 572 – 580. cứu hai phương pháp giảm PAPR cho [7] Tan Mizhou, “STBC MIMO- OFDM đó là PTS, SLM và phương pháp OFDM peak – to – average power ratio CARI cho MIMO-OFDM. Trong OFDM reduction by Cross Antenna Rotation and thì phương pháp SLM giảm PAPR nhiều Inversion”, communication Letters, IEEE, hơn so với PTS nhưng về độ phức tạp hệ p.p 592 – 594, July 2005. thống thì cấu hình PTS tốt hơn SLM. Vì [8] T.de.Couasnon, et al, “OFDM for vậy không có kỹ thuật nào tối ưu hơn. Do Digital TV Broadcasting”, Signal đó kỹ thuật giảm PAPR phải được chọn Processing, vol. 39, pp. 1-32,1994. một cách cẩn thận tùy theo yêu cầu của từng hệ thống khác nhau. 6
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.