Đồ án Ước lượng kênh mù dựa vào phương pháp không gian con áp dụng trên hệ thống OFDM (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Ước lượng kênh mù dựa vào phương pháp không gian con áp dụng trên hệ thống OFDM (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ƯỚC LƯỢNG KÊNH MÙ DỰA VÀO PHƯƠNG PHÁP KHÔNG GIAN CON ÁP DỤNG TRÊN HỆ THỐNG OFDM GVHD: PGS TS. PHẠM HỒNG LIÊN SVTH: NGUYỄN TRUNG QUANG MSSV: 10117055 SVTH: LÊ TRƯỜNG SINH MSSV: 10117059 SKL003316 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH:CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỀ TÀI: ƢỚC LƢỢNG KÊNH MÙ DỰA VÀO PHƢƠNG PHÁP KHÔNG GIAN CON ÁP DỤNG TRÊN HỆ THỐNG OFDM GVHD: PGS TS. PHẠM HỒNG LIÊN SVTH: NGUYỄN TRUNG QUANG 10117055 LÊ TRƢỜNG SINH 10117059 TP.HỒ CHÍ MINH – 7/2014
3. Đồ Án Tốt Nghiệp Lời cảm ơn Để hoàn thành Đồ án tốt nghiệp của ngành Điện Tử Viễn Thông, chúng em thực hiện đề tài ―Ƣớc lƣợng kênh mù dựa vào phƣơng pháp không gian con áp dụngtrên hệ thống OFDM”, Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn : Nhóm xin chân thành cảm ơn cô PHẠM HỒNG LIÊN thời gian qua đã dành thời gian quý báu để giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này. Nhóm thực hiện đề tài xin cảm ơn Thầy LÊ MINH THÀNH và Thầy PHAN VĂN CA đã truyền đạt những kiến thức quý báu để giúp nhóm hoàn thành đƣợc đồ án này. Nhóm thực hiện đề tài cũng xin cảm ơn các Thầy Cô trong khoa Điện - Điện Tử nói riêng và các Thầy Cô trong trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật nói chung đã dạy dỗ cung cấp kiến thức trong suốt thời gian qua, giúp đỡ tạo mọi điều kiện để nhóm thực hiện đề tài hoàn thành tốt đề tài. Do kiến thức của nhóm thực hiện đề tài còn hạn chế nên đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận đƣợc sự chỉ dẫn và góp ý của quý Thầy Cô và bạn bè. Một lần nữa nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn. Nhóm thực hiện đề tài Nguyễn Trung Quang Lê Trƣờng Sinh
4. Đồ Án Tốt Nghiệp Trangi Mục Lục PHẦN I : LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1 CHƢƠNG 1:GIỚI THIỆU 2 1.1 Vai Trò Và Ứng Dụng Của Công Nghệ Hiện Nay 2 1.2Mục Đích Của Đề Tài. 2 1.3Phạm Vi Nghiên Cứu Và Giới Hạn Của Đề Tài 2 1.4Tổng Quan Về Các Nghiên Cứu Trong Nƣớc Và Quốc Tế 3 1.5Bố Cục Của Đồ Án. 3 CHƢƠNG 2:MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 5 2.1.Mô Hình Suy Giảm Diện Rộng 5 2.1.1. Suy Hao Theo Khoảng Cách Đƣờng Truyền 5 2.1.2. Ảnh hƣởng của phản xạ 6 2.1.3. Suy hao do vật cản 7 2.2.Mô Hình Fading Diện Hẹp Và Hiệu Ứng Đa Đƣờng 7 2.2.1. Hiệu Ứng Đa Đƣờng 7 2.2.2. Hiệu ứng Doppler 8 2.2.3. Các Thông Số Của Kênh Truyền Đa Đƣờng 9 2.2.3.1. Thông Số Tán Xạ Theo Thời Gian (Time Dispersion) 9 2.2.3.2. Băng Thông Kết Hợp (Coherence Bandwidth) 10 2.2.3.3. Trải Doppler Và Thời Gian Kết Hợp 11 2.2.4. Phân loại kênh truyền fading diện hẹp 12 2.2.4.1. Fading phẳng 12 2.2.4.2. Fading Chọn Lọc Tần Số 13 2.2.4.3. Kênh truyền fading biến đổi nhanh 13 2.2.4.4. Kênh truyền fading biến đổi chậm 14 2.2.4.5. Phân Bố Rayleigh Và Phân Bố Ricean 14 2.2.4.5.1. Phân Bố Rayleigh Fading 14 2.2.4.5.2. Phân Bố Ricean Fading 14 CHƢƠNG 3 :KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 16 Mục Lục
5. Đồ Án Tốt Nghiệp Trangii 3.1. Những Khái Niệm Cơ Bản OFDM 16 3.2 Sơ Đồ Khối Hệ Thống OFDM. 20 3.3. Nguyên Lý Từng khối 21 3.3.1.Ánh xạ điều chế 21 3.3.2.Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song 25 3.3.3.Chuyển đổi miền tần số sang miền thời gian 26 3.3.4.Chèn khoảng bảo vệ 27 3.4 Mô Hình Toán OFDM 29 3.5. Ƣu điểm và nhƣợc điểmcủa hệ thống OFDM 32 3.5.1. Ƣu điểm của hệ thống OFDM 32 3.5.2. Nhƣợc điểm của hệ thống OFDM: 33 PHẦN II:ƢỚC LƢỢNG KÊNH MÙ DỰA VÀO PHƢƠNG PHÁP KHÔNG GIAN CON ÁP DỤNG TRÊN HỆ THỐNG OFDM. 34 CHƢƠNG 4:ƢỚC LƢỢNG KÊNH MÙ 35 4.1.Giới Thiệu Về Ƣớc Lƣợng Kênh Truyền Mù 35 4.1.1. Nhu Cầu Phát Sinh Ƣớc Ƣợng Kênh Truyền Mù 35 4.1.2. Đánh Giá Kỹ Thuật Ƣớc Lƣợng Kênh Mù 36 4.2.Một Số Phƣơng Pháp Ƣớc Lƣợng mù 37 4.2.1. Mô Hình 2 Kênh Truyền 38 4.2.2. Phƣơng Pháp LS 39 4.2.3. Phƣơng Pháp LP 39 4.3. Phƣơng Pháp Không Gian Con 40 CHƢƠNG 5 :ỨNG DỤNG ƢỚC LƢỢNG KÊNH MÙ VÀO HỆ THỐNG OFDM 44 5.1.Sơ Đồ Hệ Thống OFDM Dùng Ƣớc Lƣợng Kênh Truyền Mù 44 5.2.Mô Hình Toán Của Ƣớc Lƣợng Mù Cho Hệ Thống OFDM 45 5.2.1. Mô Hình Hệ Thống 45 5.2.2. Ƣớc Lƣợng Kênh Truyền Mù Dựa Trên Phƣơng Pháp Không Gian Con 47 5.2.3. Cải Tiến Phƣơng Pháp Không Gian Con Dựa Trên Ma Trận Dạng Khối 53 PHẦN III:KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 56 CHƢƠNG 6 :KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 57 Mục Lục
6. Đồ Án Tốt Nghiệp Trangiii 6.1. Mô Phỏng Hệ Thống OFDM Dùng Ƣớc Lƣợng Mù 57 6.1.1 Sơ Đồ Khối Hệ Thống Mô Phỏng 57 6.1.2 Khối Phát OFDM 57 6.1.3 Khối Kênh Truyền 58 6.1.4 Khối Thu OFDM 59 6.2 Kết Quả Mô Phỏng 59 CHƢƠNG 7 :KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 69 7.1.Kết Luận 69 7.2.Hƣớng Phát Triển Của Đề Tài 69 Phụ Lục A: Mã Chƣơng Trình 70 Phụ Lục B: Các Ký Hiệu 76 Tài Liệu Tham khảo 77 Mục Lục
7. Đồ Án Tốt Nghiệp Trangiv Mục Lục Hình Hình 2.1: Mô hình phản xạ 2 đƣờng 6 Hình 2.2: Mô hình suy hao do vật cản 7 Hình 2.3: Hiệu ứng đa đƣờng 8 Hình 2.4: Hiệu ứng Doppler 8 Hình 2. 5: Tƣơng quan Power Delay Profile, trải trễ hiệu dụng và băng thông kết hợp 11 Bảng 2.1 : Phân loại kênh truyền fading diện hẹp 12 Hình 2.6: Đáp ứng của kênh truyền fading phẳng và fading chọn lọc tần số 13 Hình 3.1: (a) So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung 17 Hình 3.1: (b) kỹ thuật sóng mang chồng xung. 17 Hình 3.2:(a) phổ mỗi sóng mang con và các mẫu rời rạc nhận đƣợc ở máy thu 19 Hình 3.2: (b) Phổ của tín hiệu kết hợp bởi 5 sóng mang con 19 Hình 3.3: Sơ đồ khối của hệ thống OFDM 21 Hình 3.4: Bộ điều chế và giải điều chế 21 Hình 3.5: Quan hệ giữa tốc độ ký tự và tốc độ bit phụ thuộc vào số bit trong một ký tự 22 Hình 3.6: Chòm sao 4-PSK và 16-PSK 23 Hình 3.7: Chòm sao QAM 16 và 64 24 Hình 3.8: Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song và ngƣợc lại 25 Hình 3.9: Bộ IFFT và FFT 26 Hình 3.1 : Chèn khoảng dự trữ vào ký hiệu OFDM 28 Hình 3.12: Tín hiệu OFDM gốc 31 Hình 3.13: Tín hiệu đƣợc chèn cyclic prefix 31 Hình 3.14: Phổ công suất của tín hiệu OFDM 31 Hình 3.11: Mô tả ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong chống nhiễu ISI 29 Hình 5.1: Sơ đồ khối hệ thống OFDM dùng ƣớc lƣợng chèn pilot 44 Hình 5.2: Sơ đồ khối hệ thống OFDM dùng ƣớc lƣợng mù 45 Mục Lục Hình
8. Đồ Án Tốt Nghiệp Trangv Hình 4.2: Mô hình kênh truyền 38 Hình 4.1: Phân loạicácphƣơng phápƣớc lƣợngkênhmù 37 Hình 5.3 : Sơ đồ khối phát OFDM 45 Hình 6.1: Sơ đồ khối tổng quát mô phỏng hệ thống OFDM. 57 Hình 6.2: Sơ đồ khối phát OFDM 58 Hình 6.3: Sơ đồ khối thu OFDM khi sử dụng ƣớc lƣợng 59 Hình 6.4. NRMSE của ƣớc lƣợng đƣợc đánh giá theo K số OFDM symbol liên tiếp nhau đƣợc thu thập với, SNR = 25dB, G = 30, kiểu điều chế 4QAM và số lần lặp đi lặp lại là 2 61 Hình 6.5 BER đƣợc đánh giá theo K số OFDM symbol liên tiếp nhau đƣợc thu thập với, SNR = 25dB, G = 30, kiểu điều chế 4QAM và số lần lặp đi lặp lại là 2 . 62 Hình 6.6 NRMSE của ƣớc lƣợng đƣợc đánh giá theo K số OFDM symbol liên tiếp nhau đƣợc thu thập với, SNR = 25dB, G = 30, với các mức điều chế QAM khác nhau và số lần lặp đi lặp lại là 2 . 62 Hình 6.7 BER đƣợc đánh giá theo K số OFDM symbol liên tiếp nhau đƣợc thu thập với SNR = 25dB, G = 30, với các mức điều chế QAM khác nhau và số lần lặp đi lặp lại là 2 . 63 Hình 6.8 NRMSE đƣợc đánh giá theo SNR, số OFDM đƣợc sử dụng là Nsym = 5 , G = 30, kiểu điều chế là 4QAM với số lần lặp đi lặp lại là 2 . 64 Hình 6.9: BER đƣợc đánh giá theo SNR, số OFDM đƣợc sử dụng là Nsym = 5 , G = 56, kiểu điều chế là 4QAM với số lần lặp đi lặp lại là 1 65 Hình 6.10: NRMSE của ƣớc lƣợng đƣợc đánh giá theo SNR với G = 30, Nsym = 50 với các mức điều chế QAM khác nhau và số lần lặp đi lặp lại là 2 . 65 Hình 6.11 BER đƣợc đánh giá theo SNR với G = 30, Nsym = 50 với các mức điều chế QAM khác nhau và số lần lặp đi lặp lại là 2 . 66 Hình 6.12: NRMSE đƣợc đánh giá theo kích thƣớc block matrix G, số OFDM đƣợc sử dụng là Nsym = 5 , SNR = 25dB với các mức điều chế khác nhau và số lần lặp đi lặp lại là 2 67 Hình 6.13: BER đƣợc đánh giá theo kích thƣớc block matrix G, số OFDM đƣợc sử dụng là Nsym = 5 , SNR = 25dB với các mức điều chế khác nhau và số lần lặp đi lặp lại là 2 . 67 Mục Lục Hình
9. Đồ Án Tốt Nghiệp Trangvi Danh sách các từ viết tắt ADC :Analog to Digital Converter AWGN :Additive White Gaussian noise BER :Bits Error Rate CP :Cyclic Prefix DAC :Digital to Analog Converter DFT :Discrete Fourier Transform EVD :Eigenvalue Decomposition FFT :Fast Fourier Transform FIR :Finite Impulse Response GSM :Global System for Mobile Communications HOS :Higher Order Statistic IDFT :Inverse Discrete Fourier Transform IFFT :Inverse Fast Fourier Transform ISI :Intersymbol Interference LI :Linear Interpolation LPI :Low Pass Interpolation LS :Least Square MIMO :Multiple Input Multiple Output. ML :Maximum Likelihood. MMSE :Minimum Mean Square Error Liệt Kê Từ Viết Tắt
10. Đồ Án Tốt Nghiệp Trangvii NRMSE :Normalized Root Mean Square Errror OFDM :Orthogonal Frequency Divionsion Multiplex P/S :ParalleltoSerial(converter) PSK :Phase Shift Keying QAM :Quadrature Amplitude Modulation S/P :Serial to Paralle(converter) SIMO :Single Input Multiple Output SISO :Single Input Single Output SNR :Signal-to-Noise Ratio SOI :Second Order Interpolation SOS :Second Order Statistic SVD :Singular Value Decomposition Liệt Kê Từ Viết Tắt
11. Đồ Án Tốt Nghiệp Trangviii Tóm tắt Ngày nay khi yêu cầu truyền thông không dây ngày càng phát triển mạnh, thì đòi hỏi kỹ thuật điều chế càng khắt khe để cung cấp một tốc độ truyền dữ liệu cao hơn. Đặc biệt nhƣ các ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao nhƣ truyền hình trực tuyến hay trò chơi trực tuyến Nhƣng do ảnh hƣởng của kênh truyền mà truyền thông không dây phải đối mặt với rất nhiều khó khăn dẫn tới tốc độ truyền luôn bị hạn chế.Vì thế kỹ thuật OFDM ra đời là một kỹ thuật hứa hẹn sẽ giải quyết đƣợc các yêu cầu đó. Lợi ích của OFDM là thực thi đơn giản và có thể hạn chế ảnh hƣởng của kênh truyền chọn lọc tần số. Ngoài ra một trong những vấn đề chính phải đối mặt trong hệ thống truyền thông không dây là ảnh hƣởng của kênh truyền vô tuyến.Để giải quyết hai vấn đề trên thông thƣờng ngƣời ta sẽ sử dụng ƣớc lƣợng kênh truyền.Mà phƣơng pháp truyền thống cho ƣớc lƣợng kênh truyền là sử dụng chuỗi dữ liệu biết trƣớc để xác định ra hàm truyền kênh truyền.Kỹ thuật đó rất hiệu quả để loại bỏ ảnh hƣởng của kênh truyền, nhƣng lại làm giảm hiệu quả băng thông của kênh truyền. Từ đó một kỹ thuật mới ra đời nhằm cải thiện yếu điểm đó đƣợc gọi là ―Kỹ thuật ƣớc lƣợng kênh truyền mù‖. ―Kỹ thuật ƣớc lƣợng kênh truyền mù‖ ƣớc lƣợng kênh truyền dựa trên dữ liệu thu đƣợc, đặc điểm của tín hiệu ngõ vào và thông tin thống kê. Do đó hiệu quả băng thông đƣợc tăng lên đáng kể. Đồ án này nhóm thực hiện đã ứng dụng ―kỹ thuật ƣớc lƣợng mù‖ dựa vào phƣơng pháp không gian con vào hệ thống OFDM. Tóm Tắt
12. Thesis Page ix Abstract Recently, increasing interest has been concentrated on modulation techniques that provide high data rates over broadband wireless channels for applications, including wireless multimedia, wireless Internet access, and future-generation mobile communication systems. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a promising digital modulation scheme to simplify the equalization in frequency selective channels. The main benefit is that it simplifies implementation, and it is against the frequency-selective fading channels. Thus, OFDM systems can providea high-performance transmission. Moreover, one of the main problems faced in wireless communications is the intersymbol interference (ISI) caused by channel dispersion. In order to recover the desired transmitted signals accurately, advanced space-time signal processing techniques need to be developed to simultaneously suppress the ISI. A key aspect of these is the estimation of the channel. Traditional methods for channel estimation usually resort to training sequences to enable channel identification. These periodically transmitted training sequences consume considerable bandwidth and thus reduce the bandwidth usage efficiency. Thus ―Blind channel estimation‖ is invented which has increased significant the bandwidth usage efficiency. blind channel estimation methods identify the unknown wireless channels based only on the received signals and some a priori statistical information or properties of the input signals.Among all blind methods, second-order statistics (SOS) based methods can yield fast convergence and acceptable performance. This thesis is focused on working out a blind equalizer based on Subspace estimation method for OFDM system. Key words: OFDM, Blind channel estimation, Subspace method, second-order statistics. Abstract
13. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 1 PHẦN I :LÝ THUYẾT TỔNG QUAN Gồm có các chƣơng : Chƣơng 1 : Giới Thiệu. Chƣơng 2 : Mô Hình Kênh Truyền Vô Tuyến. Chƣơng 3 : Kỹ Thuật OFDM Chƣơng 1: Giới Thiệu
14. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 2 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Vai Trò Và Ứng Dụng Của Công Nghệ Hiện Nay Truyền thông không dây đã đang trở thành một trong những công nghệ phát triển nhất hiện nay. Trái lại với nhu cầu phát triển nhanh chóng đó thì hệ thống truyền thông không dây lại đã và đang gặp rất một số khó khăn nhƣ ảnh hƣởng của ISI, ICI gây mất ổn định hệ thốngvà hiệu quả sử dụng băng thông thấp Từ những lý do đó mà ―Bộ ƣớc lƣợng kênh mù‖ ra đời có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc đóng góp vào khả năng phát triển của công nghệ không dây hiện đại. Ngoài ra việc ứng dụng ―kỹ thuật ƣớc lƣợngkênh truyền mù‖lên hệ thống OFDM là một bƣớc tiến hết sức mới mẻ và thiết thực trong công nghệ không dây hiện tại. Từ đó giúp cải thiện hiệu năng sử dụng băng thông cho hệ thống OFDM. 1.2 Mục Đích Của Đề Tài. Luận văn này trình bày mô hình kênh truyền trong thông tin vô tuyến và những ảnh hƣởng mà nó gây ra cho những tín hiệu truyền qua kênh truyền và lý thuyết cơ bản của kỹ thuật điều chế OFDM cùng những ƣu điểm, nhƣợc điểm của nó. Đồng thời trong phần chính của luận văn trình bày các phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh truyền mù và ứng dụng ƣớc lƣợng mù dựa vào phƣơng pháp không gian con áp dụng vào hệ thống OFDM. 1.3 Phạm Vi Nghiên Cứu Và Giới Hạn Của Đề Tài Từ Những lý thuyết đã nêu trong luận văn nhƣ: - Mô hình kênh truyền vô tuyến. - Kỹ thuật OFDM. - Các phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh truyền và đặc biệt là phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh truyền mù dựa vào phƣơng pháp không gian con. Chƣơng 1: Giới Thiệu
15. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 3 - Ứng dụng ƣớc lƣợng kênh mù dựa vào phƣơng pháp không gian con vào hệ thống OFDM Tiến hành mô phỏng và đánh giá việc ứng dụng kỹ thuật cân bằng mù dựa vào phƣơng pháp không gian con thực thi trên hệ thống OFDM. Do thời gian có hạn nên nhóm thực hiện chỉ nghiên cứu và thực hiện mô phỏng ƣớc lƣợng kênh mù trên hệ thống SISO, SIMO OFDM. 1.4 Tổng Quan Về Các Nghiên Cứu Trong Nƣớc Và Quốc Tế Trong nƣớc, các kỹ thuật ƣớc lƣợng kênh truyền trên hệ thống OFDM đã đƣợc nghiên cứu một cách rộng rãi điển hình nhƣ trong [9]nhƣng phần lớn nghiên cứu tập trung vào các kỹ thuật ƣớc lƣợng rõ, tức là kĩ thuật ƣớc lƣợng sử dụng những thông tin đã đƣợc biết trƣớc tại máy thu (pilot hoặc trainning symbol) phục vụ cho quá trình ƣớc lƣợng nhƣng các kỹ thuật ƣớc lƣợng kênh truyền mù vẫn chƣa đƣợc nhận đƣợc nhiều sự quan tâm, đặc biệt là kỹ thuật ƣớc lƣợng kênh truyền mù dựa trên phƣơng pháp không gian con. Quốc tế, các nghiên cứu về ƣớc lƣợng kênh truyền mù trên hệ thống OFDM nhận đƣợc nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu trên thế giới với lý do là các kỹ thuật mù không yêu cầu máy phát truyền đi những thông tin dƣ thừa (pilot hoặc training symbol) phục vụ cho quá trình ƣớc lƣợng, từ đó tăng hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống. Trong đó, phƣơng pháp không gian con là phƣơng pháp đầy hứa hẹn đến từ cấu trúc đơn giản đem lại hiệu quả cao của mình.Ví dụ, các nghiên cứu đã đƣợc thực hiện trong [2] [3] [5] [7] đã đề xuất các kỹ thuật cho phép khai thác Cyclic Prefix sẵn có trên các hệ thống OFDM thông dụng hiện nay để phục vụ cho quá trình ƣớc lƣợng.Ngoài ra, cấu trúc Toeplitz của mô hình kênh truyền cũng đƣợc khai thác để cải thiện tốc độ hội tụ của phƣơng pháp mù.Và đây cũng là phƣơng pháp đƣợc nhóm thực hiện đề tài tập trung nghiên cứu. 1.5 Bố Cục Của Đồ Án. Chƣơng 1: Giới thiệu tổng thể đồ án Chƣơng 2: Mô hình kênh truyền vô tuyến Chƣơng 1: Giới Thiệu
16. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 4  Mô hình suy giảm diện rộng.  Mô hình fading diện hẹp và hiệu ứng đa đƣờng. Chƣơng 3: Kỹ thuật điều chế OFDM  Những khái niệm cơ bản ofdm.  Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống OFDM. Chƣơng 4: Ƣớc Lƣợng Kênh Mù.  Giới thiệu về ƣớc lƣợng kênh truyền mù.  Mô hình kênh truyền và các phƣơng pháp ƣớc lƣợng. Chƣơng 5: Ứng Dụng Kỹ thuật ƣớc lƣợng kênh mù vào Hệ Thống OFDM.  Sơ đồ hệ thống ofdm dùng ƣớc lƣợng kênh truyền mù.  Mô hình toán của ƣớc lƣợng mù cho hệ thống ofdm.  Ƣớc lƣợng kênh mù dựa vào phƣơng pháp không gian con.  Ƣớc lƣợng kênh mù dựa vào phƣơng pháp không gian con cải tiến. Chƣơng 6: Kết Quả Mô Phỏng.  Mô phỏng hệ thống ofdm dùng ƣớc lƣợng mù.  Kết quả mô phỏng. Chƣơng 7 :Kết Luận Và Hƣớng Phát Triển Đề Tài.  Kết luận về đồ án.  Hƣớng phát triển của đề tài. Chƣơng 1: Giới Thiệu
17. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 5 CHƢƠNG2: MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN Nhƣ chúng ta đã biết, kênh truyền vô tuyến là yếu tố quyết định những giới hạn cơ bản đối với chất lƣợng của hệ thống thông tin di động. Do bản chất thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian và không gian, kênh truyền ảnh hƣởng to lớn đến hoạt động của toàn bộ hệ thống. Để hạn chế ảnh hƣởng của kênh truyền và thiết kế thành công một hệ thống thông tin với các thông số tối ƣu, việc nắm bắt đƣợc các đặc tính của kênh truyền vô tuyến cũng nhƣ mô hình hoá kênh truyền một cách hợp lí là vô cùng quan trọng. Việc khảo sát ảnh hƣởng của kênh truyền lên tín hiệu dựa trên mô hình suy giảm diện rộng và mô hình fading diện hẹp và hiệu ứng đa đƣờng. 2.1. Mô Hình Suy Giảm Diện Rộng 2.1.1.Suy Hao Theo Khoảng Cách Đƣờng Truyền Mô hình truyền sóng trong không gian tự do đƣợc dùng để xác định cƣờng độ tín hiệu tại phíathu khi môi trƣờng giữa anten phát và anten thu là light of sight. Công suất tại anten thu đặt cách anten phát một khoảng cách d đƣợc cho bởi phƣơng trình Friistrong không gian tự do: ( ) ( ) ( ) Trong đó Pt là công suất phía phát (W), Pr(d) là công suất thu đƣợc, Gt là độ lợi anten phát và Gr là độ lợi anten thu, d là khoảng cách truyền (m), L là hệ số mất mát (L≥1), và 흀 là khoảng cách bƣớc sóng (m). Có thể viết lại công thức Friis nhƣ sau: Chƣơng 2: Mô hình kênh truyền vô tuyến
18. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 6 ( ) ( ) ( ) ( ) Hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do là: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Có 3 cơ chế truyền cơ bản là:Phản xạ (Reflection), Nhiễu xạ (Diffraction), Tán xạ (Scattering) 2.1.2.Ảnh hƣởng của phản xạ Trong thực tế, anten thu không chỉ nhận tín hiệu truyền thẳng từ anten phát. Khi sóng vô tuyến truyền theo một môi trƣờng đi tới một môi trƣờng khác có tính chất điện từ khác nhau, sóng sẽ truyền đi một phần và phản xạ một phần. Sự phản xạ trên mặt đất hay còn gọi là đa đƣờng thẳng đứng và sự phản xạ theo phƣơng ngang đều làm suy hao tín hiệu truyền đi. Ví dụ ta xét mô hình phản xạ 2 đƣờng: Hình 2.1: Mô hình phản xạ 2 đƣờng Anten phát và anten thu lần lƣợt đặt tại chiều cao và . Nếu gọi là trƣờng điện từ tại một điểm tham khảo có khoảng cách so với anten phát thì trƣờng điện từ tổng hợp tại nơi thu ở khoảng cách ( ) đƣợc cho nhƣ sau : ( ) ( ( )) ( ( )) ( ) Chƣơng 2: Mô hình kênh truyền vô tuyến
19. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 7 Nếu định nghĩa √( ) √( ) Thì trƣờng điện từ tổng hợp : ( ) ( ) Theo đó, công suất nơi nhận : ( ) Nhƣ vậy, trong trƣờng hợp truyền thẳng, công suất bức xạ giảm 6dB khi khoảng cách gấp đôi, còn đối với đa đƣờng, giá trị này là 12dB. 2.1.3.Suy hao do vật cản Trên đƣờng truyền vô tuyến, tín hiệu giữa nơi phát và nơi thu bị che khuất bởi các vật cản nhƣ đồi, núi hay các nhà cao tầng Sự nhiễu xạ từ các vật che chắn ảnh hƣởng đến tín hiệu.Tần số tín hiệu càng thấp thì sự nhiễu xạ càng lớn.Để khắc phục vấn đề này thì các bộ phát thƣờng đƣợc đặt ở trên cao. Hình 2.2: Mô hình suy hao do vật cản 2.2. Mô Hình Fading Diện Hẹp Và Hiệu Ứng Đa Đƣờng 2.2.1.Hiệu Ứng Đa Đƣờng Tín hiệu khi truyền từ bộ phát đến bộthu đi theo nhiều đƣờng khác nhau, mỗi đƣờng là bản sao của tín hiệu gốc. Sự lệch nhau về khoảng cách đƣờng truyền gây nên trễ và dịch pha so với tín hiệu gốc. Kết quả tại bộ thu, tín hiệu có biên độ và pha khác Chƣơng 2: Mô hình kênh truyền vô tuyến
20. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 8 rất nhiều so với tín hiệu gốc. Nếu các tín hiệu cùng pha với nhau, fading làm tăng cƣờng độ tín hiệu tại nơi thu, ngƣợc lại, nó sẽ triệt tiêu tín hiệu tạo nên hiện tƣợng fading sâu. Đƣờng trễ L L ()t  L ()t Đƣờng trễ 1 1()t 1()t Máy phát Tx Máy thu Rx Hình 2.3: Hiệu ứng đa đƣờng 2.2.2.Hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler hình thành do sự dịch tần khi có sự di chuyển của bộ phát và bộ thu. Xem xét một thiết bị đang di chuyển với một vận tốc không đổi trên một đoạn đƣờng chiều dài giữa 2 điểm X và Y, trong khi nhận tín hiệu từ nguồn S. Hình 2.4: Hiệu ứng Doppler Độ lệch về chiều dài đƣờng truyền khi sóng đi từ nguồn S đến các điểm X và Y là ( ) Chƣơng 2: Mô hình kênh truyền vô tuyến
21. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 9 Trong đó, Δt là khoảng thời gian thiết bị di chuyển từ X đến Y, góc θ có thể xem nhƣ không đổi khi giả sử nguồn ở khoảng cách xa, khi đó độ dịch pha ở tín hiệu thu do các đƣờng truyền khác nhau là ( ) Nhƣ vậy, độ dịch tần hay dịch Doppler là ( ) Ta thấy độ dịch Doppler càng lớn khi tốc độ di chuyển của vật càng nhanh. Dịch Doppler cực đại khi | | và bằng ⁄ với là tần số sóng mang. Khi một sóng sin đƣợc truyền đi, thay vì bị dịch một khoảng tần số duy nhất tại bộ thu, phổ của tín hiệu sẽ trải rộng từ đến đƣợc gọi là phổ Doppler. Sử dụng mô hình 2 chiều và giả sử góc đến của mỗi tín hiệu đƣợc chọn từ một phân bố đồng nhất từ đến 2π, phổ tại bộ thu đƣợc xác định nhƣ sau: ( ) | | ( ) √ . / Trong đó là công suất nhận trung bình.Nếu rất nhỏ, phổ nhận đƣợc sẽ rất hẹp và trải Doppler ít có tác động lên tín hiệu nhận.Nếu băng thông tín hiệu lớn hơn nhiều băng thông Doppler thì tín hiệu ít chịu ảnh hƣởng của dịch Doppler. 2.2.3.Các Thông Số Của Kênh Truyền Đa Đƣờng 2.2.3.1.Thông Số Tán Xạ Theo Thời Gian (Time Dispersion) Để so sánh những kênh truyền đa đƣờng khác nhau và để phát triển một vài thiết kế chung cho hệ thống vô tuyến, ngƣời ta dùng những thông số mang tính định lƣợng tổng nhƣ: độ trễ trung bình vƣợt mức (mean excess delay), trải trễ hiệu dụng (rms delay spread) và trải trễ vƣợt mức (excess delay spread). Đây là những thông số có thể xác định đƣợc từ hàm Power Delay Profile.Tính chất phân tántheo thời gian của những Chƣơng 2: Mô hình kênh truyền vô tuyến