Hiệu quả của mẫu Pilot cho ước lượng kênh truyền dẫn OFDM

- Hiệu quả của mẫu Pilot cho ước lượng kênh truyền dẫn OFDM.
- Ước lượng kênh truyền trong OFDM và hiệu quả của mẫu Pilot:.
- trình bày kỹ thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM, từ đó đưa ra hiệu quả của mẫu Pilot cho ước lượng kênh.
- Mô phỏng kết quả: mô phỏng kết quả đạt được của hiệu quả mẫu Pilot cho ước lượng kênh truyền dẫn OFDM và đưa ra hướng phát triển của đề tài trong tương lai..
- Tần số trực giao.
- Phương pháp mới để truyền tín hiệu số mà vẫn tiết kiệm được băng tần đó là OFDM.
- Phổ của tín hiệu FDM và OFDM 1.2.2.
- Ở máy thu, ta làm quá trình ngược lại: Tín hiệu OFDM được đổi tần xuống, biến đổi A/D, loại bỏ khoảng bảo vệ, rồi được đưa vào bộ FFT.
- Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau.
- Tính trực giao là một tính chất cho phép nhiều tín hiệu thông tin được truyền và thu tốt trên một kênh truyền chung và không có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này.
- Một tập các tín hiệu được gọi là trực giao từng đôi một khi thỏa điều kiện..
- Các sóng mang này có tần số cách đều nhau một khoảng.
- Giả sử tín hiệu x(n) có chiều dài là N (n = 0,1, 2.
- Trên thực tế, sóng vô tuyến truyền từ trạm phát (BS: base station) đến đầu thu di động (MS: mobile station) sẽ chịu tác động của rất nhiều yếu tố của môi trường làm cho biên độ của tín hiệu thay đổi, hiện tượng này gọi là hiện tượng fading..
- Phân bố Rayleigh được sử dụng để mô tả thời gian thống kê của công suất tín hiệu thu..
- Nó mô tả xác suất của mức tín hiệu thu được do fading.
- Bảng 1.1 chỉ ra xác suất của mức tín hiệu đối với phân bố Rayleigh..
- Fading lựa chọn tần số.
- Sự phản xạ có thể dẫn đến hiện tượng đa đường và làm suy giảm công suất tín hiệu..
- Trải trễ là thời gian trễ giữa tín hiệu đi thẳng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu..
- Khi nguồn tín hiệu bên phát và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu không giống bên phía phát.
- Khi chúng di chuyển lại gần nhau thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển ra xa nhau thì tần số tín hiệu thu được là giảm xuống.
- Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống..
- Ước lượng tham số kênh..
- Ước lượng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp.
- Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường (PSAM-Pilot signal assisted Modulation).
- Vấn đề thứ nhất là lựa chọn tín hiệu pilot.
- Vấn đề thứ hai là việc thiết kế bộ ước lượng kênh..
- Khuyết điểm - Nhạy với offset tần số.
- Việc nhận một tín hiệu đa sóng mang như OFDM phải thực hiện một vai trò kép đó là ước lượng kênh và cân bằng kênh..
- Kênh truyền sinh ra sự dịch chuyển biên độ và pha của tín hiệu điều chế do đặc tính thay đổi theo thời gian và tần số chọn lọc của kênh truyền vô tuyến..
- Trong hệ thống OFDM, dữ liệu ngõ vào thực hiện điều biến để tạo thành tín hiệu dải gốc ở dạng phức sẽ được chuyển từ nối tiếp thành N luồng song song tạo thành symbol OFDM.
- Ta chuyển symbol OFDM thành tín hiệu OFDM bằng phép biến đổi IFFT.
- Tín hiệu OFDM s(t) được truyền qua kênh truyền có đáp ứng xung h(t), ở đầu thu ta nhận được r(t)..
- Ƣớc lƣợng kênh dùng tín hiệu Pilot (Pilot-Aided Channel Estimation - PACE) Tại bên phát, thực hiện chèn tín hiệu đã biết (hoa tiêu) vào khung tín hiệu OFDM với khoảng cách nhất định trong miền thời gian, tần số.
- Tại bên thu, tín hiệu lấy mẫu tương ứng với các điểm chèn hoa tiêu cho phép đánh giá kênh truyền hệ thống tại vị trí ấy..
- Phương pháp này cũng chèn tín hiệu dạng hoa tiêu nhưng ít hơn.
- Tín hiệu đã biết (hoa tiêu hay chuỗi huấn luyện) chỉ chèn tại đầu mỗi khung.
- Ban đầu tín hiệu được quyết định thông qua thông tin kênh tạm thời, sau đó cả thông tin về tín hiệu vừa được xử lý này lại tham gia vào việc quyết định tín hiệu sau.
- Khi tín hiệu lặp lại quá nhiều, tốc độ xử lý chung sẽ giảm đi, khó có thể áp dụng cho những ứng dụng đòi hỏi thời gian thực khi mà khung dữ liệu quá lớn..
- Đây là phương pháp không sử dụng việc chèn tín hiệu đã biết tại bên phát.
- Quyết định tín hiệu chỉ dựa vào thông tin của tín hiệu thu.
- Ở đầu thu, các giá trị pilot được cung cấp cho bộ ước lượng kênh truyền, từ giá trị nhận được và giá trị gốc của pilot ta tính được tác động của kênh truyền tại các vị trí pilot và nội suy ra toàn bộ đáp ứng tần số của kênh truyền cho cả symbol..
- Sau đó, từ tín hiệu nhận được và đáp ứng kênh truyền ta khôi phục lại symbol OFDM gốc.
- Các pilot trong miền thời gian và tần số.
- Sự thay đổi kênh truyền ở miền tần số phụ thuộc vào thời gian trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh  max .
- Gọi r f là tỉ số lấy mẫu ở miền tần số.
- Tỷ số lấy mẫu tối thiểu ở miền tần số r f =1.
- Từ đó suy ra đáp ứng tần số của kênh truyền tại các vị trí tương ứng với các pilot.
- Trong phần này ta sẽ khảo sát một vài kỹ thuật ước lượng kênh.
- Tín hiệu nhận được cho bởi phương trình y f (n.
- Sau khối DFT tín hiệu pilot được tách ra và ước lượng kênh He(k) được sử dụng cho việc ước lượng ký hiệu tiếp theo.
- Ước lượng ký hiệu được cho bởi phương trình.
- Sau cùng tín hiệu ước lượng được giải điều chế để trở thành luồng thông tin nhị phân như ban đầu..
- Ước lượng kênh dựa vào các khối pilot đã được phát triển dưới giả thiết là kênh truyền suy hao chậm, Ước lượng kênh dựa vào các pilot sắp xếp như vậy có thể dựa trên thuật toán bình phương tối thiểu (LS) hoặc căn bậc hai của trị trung bình nhỏ nhất MMSE.
- Đối với MMSE tín hiệu nhận sẽ là:.
- Trái lại ước lượng LS là cực tiểu hóa sai biệt giữa giá trị nhận và giá trị được ước lượng.
- Kênh được ước lượng trong LS được cho bởi biểu thức.
- Đáp ứng kênh cho sóng mang thứ k ước lượng từ ký hiệu trước {H e (k)} được sử dụng để tìm uớc lượng cho ký hiệu phát tiếp theo {X e (k)}..
- cân bằng kênh khi sự thay đổi của kênh xảy ra trong một ký hiệu của tín hiệu.
- Loại ước lượng này bao gồm các thuật toán ước lượng kênh thông qua tần số của chuỗi pilot và nội suy kênh..
- Ước lượng kênh ở các tần số pilot dựa trên sóng pilot hình lược có thể sử dụng thuật toán LS, MMSE hoặc LMS.
- Một số tài liệu chứng tỏ rằng MMSE thực hiện tốt hơn so với LS, tính phức tạp của MMSE đươc giảm bớt bằng cách sử dụng phép sử dụng ước lượng hạng thấp tối ưu và phân tích trị riêng trong đại số tuyến tính..
- Trong ước lượng kênh dựa trên pilot hình lược tín hiệu pilot NP được chèn một cách đều đặn vào luồng dữ liệu X(k) theo phương trình.
- Ta định nghĩa {H p (k), k=0,1,..,N p } là đáp ứng tần số của kênh tại các vị trí của sóng mang pilot.
- Ước lượng kênh dựa trên sóng mang pilot được cho bởi biểu thức.
- Ước lượng dựa trên pilot hình lược một kỹ thuật nội suy hiệu quả cần thiết để ước lượng kênh trong miền thời gian hoặc tần số.
- Giá trị pilot ước lượng được liên kết lại theo một trật tự để lấy giá trị ước lượng cho giá trị của dữ liệu.
- Sau khi thu được một ước lượng kênh{H p (k), k=0,1,…,Np-1}, đầu tiên nó được chuyển sang miền thời gian bằng phép biến đổi IDFT:.
- Ước lượng kênh sẽ gồm 2 bước: ước lượng kênh tại các vị tiêu và ước lượng kênh trên toàn bộ các vị trí còn lại trong khung..
- Tại các vị trí còn lại của kênh, đáp ứng tần số của kênh được xác định bằng cách sử dụng các giá trị đã được ước lượng của kênh tại vị trí tín hiệu hoa tiêu đưa qua bộ lọc 2 chiều (2D):.
- (2.5.2) Trong đó, c(n’,k’,n,k) là đáp ứng xung của bộ lọc 2 chiều, V n,k là tập hợp các vị trí tín hiệu hoa tiêu được sử dụng để ước lượng đáp ứng kênh ở vị trí (n,k).
- với N grid là số vị trí chèn tín hiệu hoa tiêu trong một khung OFDM..
- Vấn đề đặt ra với ước lượng kênh là xác định các hệ số của bộ lọc sao cho xác suất sai lệch ước lượng kênh là nhỏ nhất.
- Xác suất sai lệch ước lượng kênh được xác định thông qua hàm bình phương sai lệch trung bình:.
- là hàm tương quan rời rạc trên miền thời gian - tần số của đáp ứng kênh.
- Từ biểu thức (2.5.10) ta suy ra hệ số bộ lọc ước lượng kênh tối ưu tương ứng với mỗi vị trí (n,k) được xác định bằng:.
- Sử dụng 2 bộ lọc 1 chiều tương ứng với việc ước lượng theo 2 hướng: thời gian và tần số..
- Ước lượng kênh Pilot 2x1D.
- Thực chất, phương pháp sử dụng 2 bộ lọc 1 chiều gồm 2 bước ước lượng: Bước 1: Sử dụng tham số bộ lọc 1D theo miền tần.
- để ước lượng kênh:.
- chỉ phụ thuộc tần số k và được xác định theo biểu thức (2.5.4), trong đó bỏ qua thành phần thời gian n.
- h có độ dài không lớn hơn số tín hiệu hoa tiêu trên một cột.
- Việc ước lượng theo biểu thức (2.5.12) được thực hiện tại.
- N cột có tín hiệu hoa tiêu trong một khung OFDM..
- Biểu thức (2.5.13) cho thấy việc ước lượng kênh theo miền thời gian dựa trên những đáp ứng kênh đã ước lượng theo miền tần số.
- Từ đây, các dữ liệu theo từng hàng được ước lượng dựa vào đáp ứng kênh đã biết..
- Kỹ thuật ước lượng kênh một chiều (1D) cho hệ thống OFDM có thể phân thành 2 loại cơ bản sau:.
- (b) Tối thiểu sai lỗi trung bình bình phương (MMSE - Minimum Mean Squared Error) Bộ ước lượng LS có độ phức tạp thấp, chỉ dựa vào tín hiệu hoa tiêu mà không tính đến tính tương quan giữa các kênh truyền.
- Trong khi đó, bộ ước lượng theo phương pháp MMSE vừa dựa trên tín hiệu hoa tiêu vừa tính đến những thống kê trên miền thời gian của kênh, nên sai lỗi MSE sẽ nhỏ hơn nhiều..
- Phương pháp ước lượng LS xác định hàm truyền như trong phương trình (2.5.1) đã biết ở trên.
- Sau đây ta xem xét phương pháp ước lượng MMSE và trong phần mô phỏng ta sẽ so sánh 2 phương pháp này..
- Nếu áp dụng định luật bình phương sai lệch bé nhất (MMSE), tham số ma trận C sẽ được xác sao cho hàm trung bình sai lệch ước lượng sau đây là nhỏ nhất:.
- (2.5.17) với Θf(n) là ma trận tương quan miền tần số của đáp ứng kênh Từ đó, đáp ứng kênh sẽ được ước lượng bằng:.
- Kỹ thuật ước lượng kênh sử dụng mẫu Pilot đem lại hiểu quả cao và kết quả đó được thể hiện rõ trong phần mô phỏng ở chương 3.
- Để đánh giá được chất lượng của ước lượng kênh sử dụng mẫu Pilot, ta sẽ mô phỏng, đánh giá chất lượng của hệ thống này thông qua giản đồ chòm sao của tín hiệu 16-QAM và đường liên hệ tỷ lệ bít lỗi BER - tỷ số tín trên tạp âm SNR của kênh truyền khi không ước lượng kênh và khi ước lượng kênh sử dụng mẫu Pilot..
- Giản đồ chòm sao của tín hiệu 16-QAM.
- Giản đồ chòm sao với ước lượng kênh theo luật LS.
- Giản đồ chòm sao với ước lượng kênh theo luật MMSE.
- Giản đồ so sánh ước lượng kênh theo luật LS v à MMSE