Luận văn Ước lượng mù offset tần số sóng mang trong hệ thống OFDM (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Ước lượng mù offset tần số sóng mang trong hệ thống OFDM (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC HIỀN ƢỚC LƢỢNG MÙ OFFSET TẦN SỐ SÓNG MANG TRONG HỆ THỐNG OFDM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 S K C0 0 4 6 9 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC HIỀN ƢỚC LƢỢNG MÙ OFFSET TẦN SỐ SÓNG MANG TRONG HỆ THỐNG OFDM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC HIỀN ƢỚC LƢỢNG MÙ OFFSET TẦN SỐ SÓNG MANG TRONG HỆ THỐNG OFDM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. PHẠM HỒNG LIÊN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Nguyễn Ngọc Hiền Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 03/4/1989 Nơi sinh: Bình Dƣơng Quê quán: Hà Nội Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: Phòng Hành chính, Trƣờng Đại học Thủ Dầu Một - Số 6, đƣờng Trần Văn Ơn, phƣờng Phú Hòa, Tp. Thủ Dầu Một, tỉnh Bình Dƣơng Điện thoại nhà riêng: (0650). 3827391 E-mail: hiennn@tdmu.edu,vn II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ: tháng 9/2007 đến 6/ 2012 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. HCM Ngành học: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Đồ án tốt nghiệp: “Ứng dụng công nghệ GPS định vị đối tƣợng” Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Tháng 02/2012 tại Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Trƣơng Ngọc Sơn III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 07/2012 đến nay Trƣờng Đại học Thủ Dầu Một Chuyên viên Phòng Hành chính
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 201 (Ký tên và ghi rõ họ tên)
6. CẢM TẠ Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý thầy cô Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là các Thầy, Cô thuộc khoa Điện – Điện tử và bộ phận Sau Đại học. Các thầy cô đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức vô cùng quý báu cũng nhƣ hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học cao học. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Cô Phạm Hồng Liên, đã trực tiếp hƣớng dẫn, tận tình giúp đỡ, hỗ trợ tài liệu và định hƣớng nghiên cứu giúp tôi hoàn thành luận văn này. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, ngƣời thân, các đồng nghiệp đã trực tiếp hay gián tiếp giúp đỡ, chia sẻ, động viên tôi rất nhiều để có thể hoàn thành khóa học và luận văn này. Tôi xin gửi đến gia đình, Quý thầy cô, bạn bè, ngƣời thân lời kính chúc sức khỏe, hạnh phúc và thành công.
7. TÓM TẮT Kỹ thuật điều chế ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) hiện đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống truyền dẫn không dây do những ƣu điểm nổi bật về hiệu quả sử dụng phổ cao, tiết kiệm băng thông, khả năng chống lại fading chọn lọc theo tần số. Tuy nhiên, vấn đề cơ bản của kỹ thuật này là đặc tính nhạy cảm với độ lệch tần số sóng mang (CFO). Sự xuất hiện của CFO tại các sóng mang con phía thu làm mất tính trực giao giữa các sóng mang con dẫn đến hiện tƣợng nhiễu liên sóng mang. Để giảm thiểu tối đa ảnh hƣởng của CFO trong hệ thống OFDM, ngƣời ta sử dụng nhiều phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO khác nhau. Các phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO đƣợc phân thành 3 loại: ƣớc lƣợng mù, ƣớc lƣợng bán mù và ƣớc lƣợng rõ. Ƣớc lƣợng bán mù là phƣơng pháp kết hợp của ƣớc lƣợng rõ và ƣớc lƣợng mù. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng rõ đòi hỏi bộ phát phải truyền định kỳ các tín hiệu đã biết sẵn đến bộ thu (hay còn gọi là chuỗi huấn luyện), còn phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù thì ngƣợc lại nó không yêu cầu chuỗi huấn luyện xác định. Luận văn này tập trung tìm hiểu phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào không gian con mới, bằng cách khai thác nullspace của ma trận giảm bậc. Các kết quả mô phỏng thu đƣợc từ phƣơng pháp này cho thấy khả năng ƣớc lƣợng CFO tốt hơn các phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù khác (ƣớc lƣợng mù dựa vào CP và dựa vào tiêu chuẩn “Diagonality”), cả trong môi trƣờng có nhiễu.
8. ABSTRACT OFDM is now being widely used in many wireless transmission system due to the outstanding advantages of high spectral efficiency, bandwidth savings, resistant to fading frequency selectivity. However, the basics of this technique is characteristic sensitivity to the carrier frequency offset (CFO). The presence of CFO in subcarrier at the receiver will destroy orthogonal between subcarriers leads to inter - carrier interference. To minimize the influence of the CFO in OFDM systems, many various CFO estimation methods have been used in the past. These methods can be generally divided into: blind estimation, semi – blind estimation and data-aided (or trainning sequence). Semi – blind method is combined blind estimation with trainning sequence. Data-aided method required transmitter must transmit knowledge singnals to receiver periodical, while blind method is used not trainning sequence. This thesis focuses to search about blind CFO estimation method based on new subspace, by solving the nullspace of the rank-reduced matrix places. Simulation results show that the used method perform better than the other blind CFO estimations (blind CFO estimation based on CP and blind CFO estimation based on Diagonality criterion), including the environment has noise.
9. MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC LỜI CAM ĐOAN CẢM TẠ TÓM TẮT ABSTRACT MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH DANH SÁCH CÁC BẢNG Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố 1 1.2 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu 3 1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài 3 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu 4 1.5 Kế hoạch thực hiện 4 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 2.1. Giới thiệu chung 5 2.2. Cơ bản về OFDM 6 2.2.1 Sự phát triển của OFDM 6 2.2.2. Nguyên lý cơ bản của OFDM 7 2.2.3. Sơ đồ khối hệ thống OFDM 10 2.2.3.1. Ánh xạ điều chế 12 2.2.3.2. Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song 15 2.2.3.3. Chuyển đổi miền tần số sang miền thời gian 16 2.2.3.4. Chèn khoảng bảo vệ 17 2.2.3.5. Điều chế RF 18 2.2.3.6. Máy thu OFDM 19 2.3. Ƣu điểm – nhƣợc điểm hệ thống OFDM 22
10. 2.3.1. Ƣu điểm của hệ thống OFDM 22 2.3.2. Nhƣợc điểm của hệ thống OFDM 23 2.4. Offset tần số sóng mang (CFO) trong hệ thống OFDM 23 2.4.1. Độ lệch tần số 23 2.4.2. Nguyên nhân gây ra CFO 23 2.4.3. Ảnh hƣởng của CFO 27 Chƣơng 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ƢỚC LƢỢNG CFO 31 3.1. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO sử dụng thuật toán dựa vào chuỗi huấn luyện 31 3.2. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO mù 33 3.2.1. Ƣớc lƣợng CFO mù dựa vào tiêu chuẩn “diagonality” 33 3.2.2. Ƣớc lƣợng CFO mù dựa vào tiền tố vòng CP (cyclic prefix) 33 3.3. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO bán mù 34 3.3.1. Ƣớc lƣợng CFO bán mù dựa vào tiền mã hóa 34 Tƣơng tự nhƣ phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO mù, một số lƣợng lớn khối thì đƣợc yêu cầu để đạt chất lƣợng MSE tốt. Vì vậy, điều này gây ra sai số khi SNR = 15dB trở lên. 34 3.3.2. Ƣớc lƣợng CFO bán mù dựa vào pilot 35 Chƣơng 4 THUẬT TOÁN ƢỚC LƢỢNG MÙ CFO DỰA VÀO KHÔNG GIAN CON MỚI TRONG HỆ THỐNG OFDM 36 4.1. Mô hình hệ thống 36 4.2. Thuật toán ƣớc lƣợng CFO 37 4.3. Tóm tắt thuật toán ƣớc lƣợng CFO 42 Chƣơng 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 44 5.1. Sai số bình phƣơng trung bình (MSE) 44 5.2. Kết quả mô phỏng 44 5.2.1. Kết quả mô phỏng MSE của ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào phƣơng pháp không gian con mới 44 5.2.2. So sánh phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO đã thực hiện với các phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù khác 51
11. Chƣơng 6 KẾT LUẬN 54 6.1. Kết quả đạt đƣợc 54 6.2. Hạn chế của đề tài 55 6.3. Hƣớng phát triển của đề tài 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC A 59 PHỤ LỤC B 61
12. DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit-Error Rate CFO Carrier Frequency Offset CP Cyclic Prefix DFT Dscrete Fourier Transform FDM Frequency Division Mutiplexing FFT Fast Fourier Transform ICI Inter-Carrier Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IFFT Inverse Fast Fourier Transform ISI Inter-Symbol Interference LOS Light-of-Sight LS Least Square MC Multicarrier Communication ML Maximum Likelihood M-PSK M-Phase Shift Keying MSE Mean Square Error OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing P/S Parallel to Serial PAPR Peark-to-Average Power Ratio QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service QPSK Quaternary Phase-shift Keying S/P Serial to Parallel SNR Signal-Noise Ratio
13. DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) 8 Hình 2.2: Phổ các s ng mang con trong hệ thống OFDM 9 Hình 2.3: Sơ đồ khối của hệ thống OFDM với kênh truyền AWGN 11 Hình 2.4: Bộ điều chế và giải điều chế 12 Hình 2.5: Quan hệ giữa tốc độ ký tự và tốc độ bit phụ thuộc vào số bit 12 trong một ký tự 12 Hình 2.6: Chòm sao 4-PSK và 16-PSK 13 Hình 2.7: Chòm sao QAM 16 và 64 14 Hình 2.8: Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song và ngƣợc lại 15 Hình 2.9: Bộ IFFT và FFT 16 Hình 2.10: Chèn khoảng dự trữ vào ký hiệu OFDM 17 Hình 2.11: Mô tả ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong chống nhiễu ISI 18 Hình 2.12: Mô hình đơn giản của hệ thống truyền thông OFDM 20 Hình 2.13: Biểu diễn thời gian – tần số của ký hiệu và khung OFDM 21 Hình 2.14: Sơ đồ khối bộ tạo dao động tần số cao 25 Hình 2.15: Đáp ứng thông thấp tƣơng đƣơng của bộ cộng hƣởng 26 Hình 2.16: Mật độ phổ công suất đối với nhiễu pha 27 Hình 2.17: Ảnh hƣởng của CFO trong hệ thống OFDM làm mất tính trực giao giữa các sóng mang con 27 Hình 2.18: Mô hình của độ dịch tần 28 Hình 3.1: Chuỗi huấn luyện trong ký tự OFDM 32 Hình 5.1: Mô phỏng chất lƣợng ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào phƣơng pháp không gian con mới với ; Q=2 và J thay đổi 45 Hình 5.2: Mô phỏng chất lƣợng ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào phƣơng pháp không gian con mới với ; Q=9 và J thay đổi 46
14. Hình 5.3: Mô phỏng chất lƣợng ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào phƣơng pháp không gian con mới với và lần lƣợt các cặp J, Q thay đổi 47 Hình 5.4: Mô phỏng chất lƣợng ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào phƣơng pháp không gian con mới với ; Q=2 và J thay đổi 48 Hình 5.5: Mô phỏng chất lƣợng ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào phƣơng pháp không gian con mới với ; Q=9 và J thay đổi 49 Hình 5.6: Mô phỏng chất lƣợng ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào phƣơng pháp không gian con mới với và lần lƣợt các cặp J, Q thay đổi 50 Hình 5.7: So sánh MSE của phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào không gian con mới với hai phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào CP và dựa vào tiêu chuẩn “Diagonality”, với tín hiệu điều chế QPSK 51 Hình 5.8: So sánh MSE của phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào không gian con mới với hai phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào CP và dựa vào tiêu chuẩn “Diagonality”, với tín hiệu điều chế 16-QAM 52 Hình 5.9: So sánh MSE của phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào không gian con mới với hai phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào CP và dựa vào tiêu chuẩn “Diagonality”, với tín hiệu điều chế 64-QAM 53
15. DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1: Ảnh hƣởng của CFO lên tín hiệu thu đƣợc 28 Bảng 5.1: Các thông số dùng trong mô phỏng 44
16. Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố Trong những năm gần đây, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng đƣợc nghiên cứu và mở rộng phạm vị ứng dụng. Với những ƣu điểm nhƣ hiệu suất sử dụng phổ cao, tiết kiệm băng thông, khả năng chống lại fading chọn dọc theo tần số cũng nhƣ nhiễu băng hẹp OFDM đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới, đặc biệt là hệ thống thông tin di động 4G. Tuy nhiên, bên cạnh những ƣu điểm của hệ thống OFDM, n cũng chịu ảnh hƣởng của hai hạn chế đ là: Tỷ số công suất đỉnh trung bình (PAPR: Peark-to- Average Power Ratio) lớn và độ nhạy cao với độ lệch tần số sóng mang (CFO: Carrier Frequency Offset). Sự xuất hiện của CFO tại các sóng mang phía thu làm mất tính trực giao giữa các sóng mang con dẫn đến hiện tƣợng nhiễu liên sóng mang (ICI: Inter Carrier Interference), từ đ làm tăng tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate). Độ lệch tần số này có thể tạo ra do hiệu ứng Doppler tƣơng quan theo sự dịch chuyển của máy phát và máy thu, hay do sự khác biệt tần số của các bộ dao động nội giữa máy phát và máy thu. Đã c nhiều công trình nghiên cứu khác nhau về ƣớc lƣợng CFO nhằm khắc phục ảnh hƣởng của nó trong các hệ thống OFDM. Hiện nay, ƣớc lƣợng CFO có thể chia thành ba loại: ƣớc lƣợng rõ (dựa vào chuỗi dữ liệu thêm vào hay còn gọi là chuỗi huấn luyện), ƣớc lƣợng bán mù và ƣớc lƣợng mù (không sử dụng thêm dữ liệu bổ sung). Trong ƣớc lƣợng rõ, CFO đƣợc ƣớc lƣợng phổ biến bằng việc truyền định kỳ các ký tự pilot. Tuy nhiên, các ký tự pilot thêm vào này làm tốn băng thông sử dụng, đặc biệt là trong trƣờng hợp truyền liên tục. Ƣớc lƣợng bán mù là kỹ thuật lai giữa kỹ thuật ƣớc lƣợng mù và kỹ thuật ƣớc lƣợng rõ, đây là bƣớc đầu tiên cải thiện hiệu quả băng thông so với phƣơng pháp truyền định kỳ các ký tự pilot, nhƣng thƣờng phụ thuộc vào nhiều giả định 1
17. khác nhau nhƣ cần có một ký tự pilot riêng, hai khối dữ liệu OFDM liên tiếp giống nhau, hoặc một vài cấu trúc đặc biệt trong ký tự OFDM. Gần đây, phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO đang ngày càng đƣợc quan tâm và khai thác mạnh mẽ, với dung lƣợng băng thông đƣợc bảo toàn mà không sử dụng thêm dữ liệu bổ sung. Có nhiều phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO đã đƣợc khai thác trong các tài liệu khác nhau nhƣ: dựa vào tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix) [1], lấy cực tiểu công suất của những phần tử ngoài đƣờng chéo của ma trận hiệp phƣơng sai của tín hiệu trong miền tần số [2], sử dụng thuật toán MUSIC-like CFO dựa trên sự tồn tại của sóng mang con rỗng hoặc một tiền tố vòng dài hơn đƣợc áp dụng trong miền thời gian hoặc miền tần số [3], dựa vào thống kê bậc hai [4] Trong số các phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù khác nhau, phƣơng pháp dựa vào không gian con [5-6] đƣợc xem là nổi bật nhất khi mà gần đây đã đƣợc chứng minh rằng có thể đem lại hiệu quả ƣớc lƣợng tốt mà không làm tiêu tốn băng thông sử dụng. Những phƣơng pháp này đƣợc chứng minh bằng mô hình tín hiệu bậc giảm gây ra bởi những s ng mang không điều chế hay sóng mang ảo VC (Virtual Carriers) tại các cạnh của khối OFDM, nhằm mục đích giảm thiểu sự giao thoa gây ra bởi các hệ thống OFDM liền kề. Đối với những nghiên cứu đã thực hiện trong nƣớc trƣớc đây, chủ yếu tập trung vào ƣớc lƣợng CFO bằng phƣơng pháp bán mù dựa vào pilot, dựa vào phƣơng pháp ML (Maximum Likelihood) ([22], [23]) hoặc bằng phƣơng pháp ƣớc lƣợng rõ dựa vào chuỗi huấn luyện đƣợc truyền định kỳ tại máy phát; chứ chƣa đi sâu khai thác nhiều các phƣơng ƣớc lƣợng mù CFO. Đa số các nghiên cứu về ƣớc lƣợng mù đƣợc khai thác ứng dụng cho việc ƣớc lƣợng kênh truyền, nhƣ trong luận văn [23], tác giả nghiên cứu phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh truyền mù dựa vào thống kê bậc hai Từ cái nhìn tổng quan về các kết quả nghiên cứu về ƣớc lƣợng CFO nêu trên, ngƣời nghiên cứu chọn đề tài: “Ước lượng mù Offset tần số sóng mang trong hệ thống OFDM” để thực hiện nhằm khai thác những hiệu quả ƣớc lƣợng mà phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù mang lại. Khác với những nghiên cứu trong nƣớc đã thực hiện, 2
18. luận văn này tập trung nghiên cứu phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO, dựa vào ba bài báo chính của IEEE ([5],[6],[13]), đặc biệt là bài báo [6], ngƣời nghiên cứu chọn giải pháp đã đƣợc phát triển trong các bài báo này dùng để ƣớc lƣợng CFO, đ là thuật toán mù dựa vào không gian con mới, bằng cách khai thác nullspace của ma trận giảm bậc [6]. Chất lƣợng ƣớc lƣợng CFO đƣợc đánh giá thông qua sai số trung bình bình phƣơng MSE và cho kết quả ƣớc lƣợng tốt. 1.2 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu - Mục đích nghiên cứu: Chọn đề tài: “Ƣớc lƣợng mù offset tần số s ng mang trong hệ thống OFDM”, ngƣời nghiên cứu tìm hiểu ƣớc lƣợng mù offset tần số s ng mang hay còn gọi là độ lệch tần số s ng mang (CFO) dựa vào phƣơng pháp không gian con mới, bằng cách khai thác nullspace của ma trận giảm bậc [6], qua đ chứng minh phƣơng pháp này đem lại hiệu quả ƣớc lƣợng CFO tốt hơn các phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO mù dựa vào tiền tố vòng CP và dựa vào tiêu chuẩn “Diagonality”, kể cả trong môi trƣờng c nhiễu. Tiến hành mô phỏng chất lƣợng ƣớc lƣợng CFO dựa vào phƣơng pháp không gian con mới sử dụng các kiểu điều chế tín hiệu khác nhau (QPSK, 16-QAM và 64-QAM); đồng thời mô phỏng so sánh và đánh giá chất lƣợng ƣớc lƣợng mù CFO so với các phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào tiền tố vòng CP và dựa vào tiêu chuẩn “Diagonality”. - Đối tƣợng nghiên cứu: Giải thuật ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào phƣơng pháp không gian con mới thông qua việc khai thác nullspace của ma trận giảm bậc. 1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài - Tìm hiểu khái quát các phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO - Nghiên cứu phƣơng pháp, giải thuật ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào không gian con mới thông qua việc khai thác nullspace của ma trận giảm bậc. - Cách thức thực hiện mô phỏng chất lƣợng ƣớc lƣợng mù CFO dựa trên phần mềm Matlab 2013a. 3
19. - Giới hạn của đề tài: Chỉ thực hiện so sánh phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO sử dụng trong luận văn với các phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù khác, chƣa so sánh với phƣơng pháp ƣớc lƣợng rõ và ƣớc lƣợng bán mù. 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu - Dựa trên cơ sở dữ liệu trực tuyến của IEEE (hiệp hội kỹ sƣ điện tử Mỹ), tác giả sƣu tập các bài báo khoa học để nghiên cứu, sử dụng giải thuật ƣớc lƣợng mù CFO đã đƣợc phát triển bởi các nhà nghiên cứu, giáo sƣ ở các Đại học, Viện nghiên cứu trên thế giới. - Sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng chất lƣợng ƣớc lƣợng CFO của phƣơng pháp đã trình bày thông qua biểu diễn sai số bình phƣơng trung bình MSE (Mean square Error). - Công cụ Matlab cho phép hiển thị các kết quả mang tính trực quan và kiểm nghiệm các phân tích lý thuyết. Phần mềm Matlab đƣợc sử dụng trong đề tài này có phiên bản là 2013a. 1.5 Kế hoạch thực hiện - Tháng 2, 3/2015: Nghiên cứu sâu giải thuật ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào không gian con mới, bƣớc đầu xây dựng lƣu đồ giải thuật và tiến hành mô phỏng chất lƣợng ƣớc lƣợng CFO với các chỉ số J, Q và khác nhau - Tháng 4, 5/2015: Tiến hành thực hiện mô phỏng hiệu quả ƣớc lƣợng của phƣơng pháp sử dụng với kiểu điều chế QPSK và so sánh với các phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù khác. Từ đ đƣa ra nhận xét, đánh giá - Tháng 6,7/2015: Tiến hành thực hiện mô phỏng hiệu quả ƣớc lƣợng của phƣơng pháp sử dụng với kiểu điều chế 16-QAM và 64-QAM và so sánh với các phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù khác. Từ đ đƣa ra nhận xét, đánh giá. Bắt đầu viết báo cáo luận văn - Tháng 8/2015: Chỉnh sửa, kiểm tra lại luận văn trƣớc khi hoàn tất để nộp. 4
20. Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Giới thiệu chung Năm 1966, Chang đƣa ra mô hình OFDM cơ bản và đạt đƣợc bằng sáng chế năm 1970. OFDM là kĩ thuật truyền tải thông tin song song sử dụng một số lƣợng lớn s ng mang con đƣợc điều chế. Những sóng mang con này chia nhau phần băng thông hữu dụng và vừa đủ tách biệt trên miền tần số sao cho chúng vẫn còn trực giao với nhau. Năm 1971, Weinstein và Ebert đề xuất ra hệ thống OFDM [7] sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform-DFT) để tạo ra các sóng mang con trực giao thay cho việc sử dụng các máy tạo sóng sin. Bằng cách sử dụng các khối biến đổi DFT ngƣợc (Inverse Discrete Fourier Transform-IDFT) và các bộ chuyển đổi số-tƣơng tự, họ đã giảm đƣợc đáng kể độ phức tạp của hệ thống. Trong mô hình đƣợc đƣa ra, tín hiệu băng gốc đƣợc điều chế bởi biến đổi IDFT tại máy phát và đƣợc giải điều chế bởi biến đổi DFT tại máy thu.Với mô hình này, tất cả sóng mang con sẽ chồng lấp lên nhau trong miền tần số trong khi biến đổi DFT sẽ đảm bảo chúng vẫn trực giao với nhau. Khoảng bảo vệ (Cyclic Prefix-CP) cho hệ thống OFDM đƣợc đƣa ra lần đầu tiên bởi Peled và Ruiz vào năm 1980 [8]. Khoảng bảo vệ đƣợc thêm vào để tránh sự chồng chập của 2 ký tự OFDM liên tiếp khi truyền tín hiệu để đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con.Sử dụng khoảng bảo vệ đã đánh đổi một phần năng lƣợng hữu ích khi truyền tải tuy nhiên phƣơng pháp này giúp giảm bớt ảnh hƣởng của hiện tƣợng nhiễu xuyên kí tự (Inter Symbol Interference-ISI).Vì vậy khoảng bảo vệ đƣợc các chuẩn IEEE hiện tại đề xuất thực hiện. Năm 1980, Hirosaki đƣa ra thuật toán cân bằng để triệt tiêu ảnh hƣởng của nhiễu ISI và nhiễu xuyên sóng mang (Inter Carrier Interference-ICI) [9] tạo ra do 5
21. méo dạng kênh truyền, sai số do đồng bộ hay sai số về pha của tín hiệu. Đồng thời, Hirosaki cũng sử dụng điều chế QAM, tín hiệu pilot và mã hóa vào hệ thống OFDM tốc độ cao của mình. Năm 1985, Cimini đƣa ra phƣơng thức cơ bản về pilot để giảm ảnh hƣởng của nhiễu do đa dƣờng [10]. Những năm 1990, hệ thống OFDM đƣợc khai thác sử dụng cho việc thông tin tốc độ cao.Trong chuẩn IEEE 802.1, tần số sóng mang có thể rất cao lên đến 2.4 GHz hay 5 GHz. Những nghiên cứu gần đây hƣớng đến sử dụng hệ thống OFDM hoạt động ở các tần số cao hơn gấp nhiều lần.Ví dụ, chuẩn IEEE 802.16 đƣa ra tần số hoạt động từ 10 GHz đến 60 GHz. Tuy nhiên, một trong những khuyết điểm của hệ thống OFDM là nó rất nhạy cảm với sai lệch về tần số, nguyên nhân tạo ra nhiễu ICI làm giảm chất lƣợng hệ thống OFDM. Nhiều tác giả đã đề xuất các phƣơng thức khác nhau để ƣớc lƣợng độ sai lệch về tần số này nhằm khắc phục ảnh hƣởng của nó trong hệ thống OFDM. Đây cũng chính là mục tiêu của luận văn, nghiên cứu một phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO mà các kết quả mô phỏng thể hiện đƣợc hiệu quả ƣớc lƣợng cao. 2.2. Cơ bản về OFDM 2.2.1 Sự phát triển của OFDM Sự phát triển của OFDM có thể chia làm 3 giai đoạn gồm phân tập theo tần số (Frequency Division Multiplexing-FDM), truyền thông đa s ng mang (Multicarrier Communication-MC) và OFDM. - Phân tập theo tần số FDM FDM đƣợc sử dụng từ rất lâu để mang nhiều hơn một tín hiệu trên đƣờng điện thoại. FDM sử dụng ý tƣởng lấy các kênh có tần số khác nhau để mang thông tin của những ngƣời dùng (user) khác nhau. Mỗi kênh đƣợc xác định thông qua tần số truyền trung tâm. Để chắc chắn tín hiệu của kênh này không chồng lên kênh kế cận, một khoảng nghỉ hay khoảng bảo vệ đƣợc xen giữa các kênh khác nhau. - Truyền thông đa sóng mang MC 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4