Xây dựng phương pháp cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống thông tin di động LTE-R

- TRẦN VĂN TUẤN Đề tài: XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG KÊNH VÀ LỌC NHIỄU CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE-R LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS.
- Dưới sự định hướng của PGS.TS Nguyễn Văn Đức, em đã quyết định lựa chọn đề tài: “Xây dựng phương pháp cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống thông tin di động LTE-R” cho luận văn tốt nghiệp.
- Trong luận văn này sẽ tập chung vào phương pháp ước lượng giá trị kênh truyền ở phía bên thu, việc này sẽ mang tính chất quan trọng trong việc khôi phục tín hiệu tốt hay xấu.
- Ở các phương pháp ước lượng truyền thống, do kênh truyền không biến đổi hoặc biến đổi chậm trong khoảng thời gian nào đó, nên việc ước lượng kênh khá đơn giản dựa trên mẫu tín hiệu dẫn đường chèn phía bên phát.
- Tuy nhiên, khi kênh truyền biến đổi rất nhanh theo thời gian, ta cần phải thay đổi cấu trúc chèn mẫu tín hiệu dẫn đường mới cùng với phương pháp nội suy đem lại kết quả tốt hơn.
- Do tín hiệu ảnh hưởng bởi hiện tượng đa đường nên bộ cân bằng kênh rất phức tạp, do đó việc đề xuất phương pháp làm giảm độ phức tạp của thuật toán cân bằng kênh cũng được trình bày chi tiết.
- Kết quả cho thấy phương pháp ước lượng kênh dựa trên cấu trúc chèn tín hiệu dẫn đường mới cùng với phương pháp cân bằng kênh đem lại kết quả vượt trội so với các phương pháp thông thường.
- Phương pháp điều chế đơn sóng mang và đa sóng mang.
- Phương pháp điều chế đơn sóng mang.
- Phương pháp điều chế đa sóng mang.
- Mô phỏng kênh biến thiên nhanh theo thời gian sử dụng phương pháp Monte Carlo.
- 24 CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH, CÂN BẰNG KÊNH VÀ LỌC NHIỄU.
- Phương pháp ước lượng kênh.
- Phương pháp ước lượng kênh dùng tín hiệu dẫn đường.
- Ước lượng kênh dựa trên sự sắp xếp tín hiệu dẫn đường theo dạng khối.
- Ước lượng kênh dựa trên sự sắp xếp tín hiệu dẫn đường theo dạng lược.
- Các phương pháp ước lượng kênh dùng trong hệ thống OFDM.
- Phương pháp cân bằng kênh và lọc nhiễu.
- Phương pháp tự triệt tiêu nhiễu.
- Phương pháp cân bằng kênh sử dụng ma trận kênh trong miền tần số.
- Phương pháp cân bằng kênh sử dụng ma trận kênh con.
- So sánh giá trị MSE giữa các phương pháp trên miền thời gian.
- So sánh giá trị SER giữa các phương pháp trên miền thời gian.
- 1 Chèn mẫu tín hiệu dẫn đường dạng khối Hình 3.
- 2 Chèn mẫu tín hiệu dẫn đường dạng lược [2.
- 3 So sánh các phương pháp nội suy trong miền tần số.
- 4 Cấu trúc tín hiệu bên phát trong hệ thống ước lượng kênh tuyến tính trong miền thời gian [9.
- 6 Cấu trúc chèn mẫu tín hiệu dẫn đường đề xuất.
- 7 So sánh biên độ giá trị ước lượng CIR giữa các phương pháp khác nhau trên miền thời gian.
- 8 Sơ đồ hệ thống sử dụng phương pháp tự triệt tiêu nhiễu.
- 2 So sánh tỷ lệ MSE giữa các phương pháp khác nhau trên miền thời gian…44 Hình 4.
- 1 So sánh giá trị lỗi ký tự SER giữa các phương pháp tại tần số Doppler max1204Df Hz.
- 2 Bảng so sánh chạy chương trình của hai phương pháp đề xuất.
- Nổi bật trong số đó là phương pháp dựa trên mẫu tín hiệu dẫn đường.
- Ở phía thu, ta tính được giá trị đáp ứng kênh truyền tại mẫu tín hiệu dẫn đường rồi dùng phương pháp nội suy để tính giá trị đáp ứng kênh truyền ở mẫu tín hiệu chứa thông tin.
- Trong luận văn này, em xin trình bày phương pháp nội suy kênh dùng hàm Cubic Hermite và Cubic Spline kết hợp với cấu trúc chèn mẫu tín hiệu dẫn đường trên miền thời gian đem lại kết quả vượt trội so với các phương pháp hiện tại.
- Bên cạnh đó, nhờ việc ước lượng kênh chính xác trong môi trường kênh đa đường biến đổi nhanh theo thời gian nên việc cân bằng kênh trở nên hiệu quả hơn, loại bỏ nhiễu ICI tốt hơn hẳn so với các phương pháp lọc nhiễu thông thường như phương pháp Self-Cancellation hay phương pháp dùng bộ lọc Kalman: Chương 1: Tổng quan kỹ thuật OFDM và hệ thống LTE-R.
- Chương 3: Các phương pháp ước lượng kênh, cân bằng kênh và lọc nhiễu.
- Phương pháp điều chế đơn sóng mang và đa sóng mang 1.1.2.1.
- Phương pháp điều chế đa sóng mang Phương pháp điều chế đa sóng mang được hiểu là toàn bộ băng tần của hệ thống được chia ra làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng tần con là khác nhau.
- 1 Sơ đồ cấu trúc và đặc tính quang phổ của hệ thống truyền dẫn đa sóng mang [2] Phương pháp điều chế đa sóng mang còn được biết như phương pháp phân chia kênh theo tần số FDM, trong đó phổ của tín hiệu của hệ thống chia làm 21cNL kênh song song.
- Từ đó chúng ta có thể nêu ra một số các ưu điểm cơ bản của điều chế đa sóng mang so với các phương pháp điều chế đơn sóng mang.
- Tuy nhiên phương pháp này còn một số nhược điểm cơ bản sau: 5  Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh (time selectivity).
- Phương pháp truyền dẫn đa sóng mang đã khắc phục được những hạn chế của hệ thống truyển tin đơn sóng mang, đặc biệt là hiện tượng fading lựa chọn tần số trong hệ thống băng rộng.
- Xét tín hiệu phức  120tkNjfke.
- (1.6) Và tín hiệu passband.
- Phương pháp ước lượng kênh đề xuất sẽ được trình bày chi tiết trong các chương tới, với mục đích đưa ra phương pháp ước lượng kênh tối ưu cho hệ thống HSRs.
- Mô phỏng kênh biến thiên nhanh theo thời gian sử dụng phương pháp Monte Carlo Phương pháp mô phỏng dựa trên các biến ngẫu nhiên thường được gọi là phương pháp mô phỏng Monte Carlo.
- Ta sẽ xấp xỉ kênh WINNER II D2a theo phương pháp nội suy để tìm ra độ lớn của đáp ứng xung tại các thời điểm lấy mẫu ns ns ns(Hình 2.5).
- 5 Thông số của kênh WINNER II D2a sau khi nội suy Chỉ số đường Trễ tương đối ()ns Công suất trung bình ()dB Mô phỏng kênh theo phương pháp Monte Carlo j f tl m l mlLMellmhM.
- Phương pháp phỏng tạo kênh vô tuyến cũng được mô tả.
- 25 CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH, CÂN BẰNG KÊNH VÀ LỌC NHIỄU Trong chương này sẽ trình bày các phương pháp ước lượng kênh trong hệ thống OFDM trong môi trường fading nhanh.
- Như đã trình bày ở những chương trước, phương pháp dùng mẫu tín hiệu dẫn đường rất phổ biến trong các chuẩn LTE và DVB-T.
- Sau đó sẽ đi vào phân tích mục đích của phương pháp cân bằng kênh là khôi phục lại tín hiệu ban đầu sau khi có tín hiệu thu được và ước lượng được giá trị kênh truyền.
- Trong hệ thống thông tin di động thông thường, ngoài phương pháp cân bằng kênh, người ta sử dụng các phương pháp khác để loại bỏ nhiễu ICI như phương pháp Self-Cancellation [10], bộ lọc Kalman [11]… Nhưng đều không thể áp dụng vào trong hệ thống LTE-R, như phương pháp Self-Cancellation làm giảm hiệu quả sử dụng băng thông do sử dụng vòng lặp điều chế tín hiệu mang thông tin trên vài sóng mang con liên tiếp để các thành phần nhiễu ICI tự triệt tiêu nhau.
- Phương pháp bộ lọc Kalman thì tương đối phức tạp và chỉ có hiệu quả khi phương tiện di chuyển ở tốc độ dưới 200 km/h.
- Phương pháp ước lượng kênh 3.1.1.
- Phương pháp ước lượng kênh dùng tín hiệu dẫn đường Phương pháp này được thực hiện bằng cách chèn tín hiệu dẫn đường vào mọi sóng mang nhánh của mỗi ký tự OFDM theo một chu kỳ nào đó hoặc chèn các mẫu tín hiệu dẫn đường vào mỗi ký tự OFDM.
- Gọi tS là chu kỳ lặp lại tín hiệu dẫn đường trên miền thời gian.
- Các phương pháp ước lượng kênh dùng trong hệ thống OFDM 3.1.2.1.
- Giải thuật ước lượng kênh Least Square Phương pháp ước lượng kênh truyền sử dụng chuỗi tín hiệu dẫn đường như kỹ thuật Least Squares và Minimum Mean Square Error (MMSE) được sử dụng rộng rãi.
- (3.7) Chuyển vế phương trình (3.7) ta được ,HHX X H X Ydó đó giá trị ước lượng bằng phương pháp Least Square được tính bằng công thức.
- (3.8) Như vậy mẫu tín hiệu dẫn đường tại mỗi sóng mang con được tính như sau.
- 1kN (3.9) Lỗi bình phương tối thiểu MSE của phương pháp Least Square được tính theo công thức dưới đây [2.
- )ppN X mlà giá trị sóng mang con tín hiệu dẫn đường thứ m.
- 0,1,...,ppH k k N là đáp ứng tần số của kênh tại sóng mang con tín hiệu dẫn đường.
- Nội suy tuyến tính Với phương pháp nội suy tuyến tính, ta sẽ xác định các giá trị kênh truyền chưa biết thông qua giá trị kênh truyền của hai tín hiệu dẫn đường liên tiếp nhau, sao cho các các giá trị kênh cần khôi phục cùng với hai tín hiệu đã biết có mối quan hệ tuyến tính với nhau.
- 3 So sánh các phương pháp nội suy trong miền tần số Hình 3.3 so sánh các phương phương nội suy trong miền tần số, có thể thấy phương pháp nội suy Spline cho kết quả tốt hơn hẳn so với phương pháp nội suy Linear nhưng có độ phức tạp cao hơn phương pháp này.
- Các hàm nội suy kênh truyền trong miền thời gian a, Hàm tuyến tính Phương pháp ước lượng kênh tuyến tính dựa trên một cấu trúc chèn mẫu tín hiệu đặc biệt bên phát, mẫu tín hiệu có độ dài 21G với G là khoảng bảo vệ.
- là thời gian của một chu kỳ tín hiệu OFDM.
- 7 So sánh biên độ giá trị ước lượng CIR giữa các phương pháp khác nhau trên miền thời gian Hình 3.7 cho thấy phương pháp ước lượng bằng phương pháp nội suy Cubic Hermite đem lại kết quả vượt trội so với phương pháp nội suy tuyến tính.
- Điều này làm cho hàm Spline dễ tính toán và phương pháp ước lượng sử dụng phương pháp nội suy Cubic Spline đem lại kết quả vượt trội so với phương pháp nội suy tuyến tính, kết quả nội suy sát với kết quả của giá trị kênh truyền ban đầu.
- Phương pháp cân bằng kênh và lọc nhiễu 3.2.1.
- Phương pháp tự triệt tiêu nhiễu Phương pháp này sử dụng một ánh xạ đặc biệt để triệt tiêu nhiễu ICI, gọi là AC (Adjacent Cancellation).
- 8 Sơ đồ hệ thống sử dụng phương pháp tự triệt tiêu nhiễu Sơ đồ trên, dòng bit được đưa vào khối điều chế sử dụng chòm sao QAM (Quadrature Amplitude Modulation).
- Để tổng hợp, phương pháp này có các ưu và nhược điểm sau: Ưu điểm.
- Hiệu quả sử dụng phổ bị giảm đi bằng một nửa so với hệ thống không sử dụng phương pháp tự triệt tiêu nhiêu.
- Phương pháp cân bằng kênh sử dụng ma trận kênh trong miền tần số Tại khâu ước lượng kênh truyền, máy thu lúc này nhận được đáp ứng xung của kênh, thông qua các phiên bản trễ của tín hiệu dẫn đường.
- Phương pháp này có các điểm chú ý sau: Ưu điểm.
- Điều này làm giảm độ phức tạp của phương pháp truyền thống, nhưng phải đánh đổi về mặt hiệu năng.
- Các phương pháp được sử dụng để so sánh là: phương pháp tự triệt tiêu nhiễu (gọi tắt là Zhao01) [13] và những phương pháp sử dụng ma trận kênh trên miền thời gian trên lỗi bình phương tối thiểu MSE và lỗi kỹ tự SER với những tỷ lệ SNR khác nhau.
- So sánh giá trị MSE giữa các phương pháp trên miền thời gian 44 Hình 4.
- 1 So sánh tỷ lệ MSE giữa các phương pháp khác nhau trên miền thời gian Từ hình vẽ ta có thể thấy giá trị MSE của hai phương pháp đề xuất trên miền thời gian có tỷ lệ lỗi thấp hơn hẳn so với các phương pháp còn lại, lý do vì chương trình sử dụng cấu trúc chèn tín hiệu mới, hạn chế đến sự biến thiên rất nhanh về mặt thời gian của kênh truyền, mặt khác do dùng hàm nội suy bậc 3 nên đem lại kết quả tốt hơn phương pháp nội suy tuyến tính.
- So sánh giá trị SER giữa các phương pháp trên miền thời gian Hình 4.2 trình bày kết quả mô phỏng của hệ thống với các phương pháp lọc nhiễu khác nhau: 45 Hình 4.
- 2 So sánh giá trị lỗi ký tự SER giữa các phương pháp tại tần số Doppler max1204Df Hz Có thể thấy trong kết quả, phương pháp Zhao01 đạt kết quả kém nhất.
- Điều này dễ hiểu vì phương pháp này đơn giản và có hiệu năng không ổn định với hệ thống có giá trị chênh lệch tần số khác nhau.
- Kết quả so sánh cho thấy giá trị lỗi SER của hai phương pháp đề xuất này thấp hơn hẳn so với các phương pháp khác do việc ước lượng kênh chính xác hơn.
- Mặt khác, do hai phương pháp đề xuất sử dụng phương pháp cân bằng kênh nên chất lượng tín hiệu khôi phục tốt hơn hẳn các phương pháp không sử dụng bộ cân bằng kênh.
- Phương pháp Cubic Spline đạt kết quả tốt nhất về tỷ số lỗi ký tự.
- Điều này có được là phương pháp này sử dụng toàn bộ thông tin kênh truyền để phục vụ cân bằng kênh.
- Kết quả có thể quan sát được khi tần số Doppler là 1204 .Hz Có thể thấy hiệu năng của phương pháp Cubic Spline là tốt nhất, theo sau là phương pháp Cubic Hermite.
- Lý do thứ nhất là cả hai phương pháp nội suy đều sử dụng cấu trúc mẫu tín hiệu dẫn đường được chèn ở miền thời gian nên tỷ lệ mẫu tín hiệu dẫn đường trên tỷ lệ mẫu tín hiệu mang thông tin thấp, do đó việc ước lượng nhanh hơn.
- Bảng 4.2 cho thấy thời gian chạy của cả hai phương pháp là xấp xỉ nhau.
- KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương này đã trình bày các kết quả mô phỏng đánh giá các phương pháp cân bằng kênh và lọc nhiễu.
- Kết quả bao gồm: so sánh giá trị MSE và SER giữa các phương pháp trên miền thời gian tại tần số Doppler max1204Df Hz.
- Kết quả mô phỏng cho thấy hai phương pháp đề xuất (phương pháp Cubic Hermite và Cubic Spline) có tỷ lệ lỗi thấp hơn hẳn phương pháp cũ và có hiệu năng cao hơn, độ phức tạp thuật toán thấp.
- Để lọc nhiễu ICI em đã tập trung trình bày các phương pháp ước lượng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống LTE-R, đặc biệt là đề xuất sử dụng phương pháp ước lượng kênh trên miền thời gian sử dụng hai phương pháp nội suy Cubic Hermite và Cubic Spline, hai phương pháp này dùng cấu trúc mẫu tín hiệu dẫn đường được chèn trên miền thời gian đem lại kết quả nội suy kênh ở mẫu tín hiệu mang thông tin vượt trội so với các phương pháp nội suy trên miền thời gian hiện tại.
- Với hai phương pháp mà em đề xuất, điểm mấu chốt là nâng cao giá trị ước lượng so với phương pháp nội suy tuyến tính.
- Tuy nhiên, khi kênh truyền biến đổi rất nhanh thì giá trị thay đổi của đáp ứng xung trong một chu kỳ tín hiệu OFDM không còn là tuyến tính nên phương pháp nội suy tuyến tính đem lại kết quả nội suy có tỷ lệ lỗi bình phương tối thiểu rất cao.
- PHỤ LỤC Code mô phỏng kênh truyền theo phương pháp Monte – Carlo

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt