Đánh giá giải pháp ước lượng kênh truyền kết hợp tự triệt ICI trong môi trường fading chọn lọc kép

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là phương pháp truyền tải dữ liệu tốc độ cao đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống thông tin. Nhiễu liên sóng mang ICI (Inter Carrier Interference) là một trong những nguyên nhân tác động lên hệ thống OFDM và làm giảm chất lượng hệ thống. Nhiễu này tạo ra do kênh truyền fading đa đường cũng như sự khác biệt về tần số giữa phía phát và phía thu. Phương pháp tự triệt ICI kết hợp với việc ước lượng kênh truyền trên môi trường fading chọn lọc kép được đề cập để chống lại ảnh hưởng của nhiễu ICI lên hệ thống OFDM. Các kết quả mô phỏng thu được cho thấy hiệu quả của giải pháp này.

I.TỔNG QUAN

Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM là phương pháp truyền tải thông tin tốc độ cao bằng cách sử dụng các sóng mang con trực giao. Những ưu điểm của phương pháp này giúp nó đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống thông tin hiện nay. Tuy nhiên, không có phương pháp nào hoàn hảo. Khuyết điểm của phương pháp này là sự nhạy cảm của nó với nhiễu liên sóng mang ICI. Nhiễu ICI được tạo ra do truyền tải thông tin trên môi trường fading đa đường cũng như sự mất đồng bộ về tần số giữa phía phát và phía thu.

Nhiều phương pháp giảm nhiễu ICI đã được đưa ra như: định dạng xung, cửa sổ miền tần số [1], tự triệt ICI [2], ước lượng độ dịch tần số [3]...Các nghiên cứu trước đây về các phương pháp này đều thực hiện trong môi trường nhiễu Gauss có độ dịch tần tiêu chuẩn. Tuy nhiên, môi trường thực tế thông thường không chỉ có nhiễu Gauss mà còn có sự ảnh hưởng fading đa đường phức tạp và ảnh hưởng của sự mất đồng bộ giữa bên phát và bên thu và do sự di chuyển của đầu cuối hay còn gọi là môi trường fading chọn lọc kép. Chính vì vậy, bài báo này tập trung phân tích trong môi trường này với những giải pháp cải thiện trong bộ ước lượng kênh truyền kết hợp giảm nhiễu ICI. Đối với môi trường này, giải pháp bài báo đưa ra là kết hợp ước lượng kênh truyền LS (Least Square) cùng với các giải pháp giảm nhiễu ICI (trong bài báo sử dụng hai phương pháp là tự triệt ICI (ICI self cancellation) và phương pháp ước lượng độ dịch tần số). Các kết quả mô phỏng cho thấy việc kết hợp ước lượng kênh truyền LS và phương pháp tự triệt ICI giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu ICI đối với hệ thống OFDM và cải thiện tốt nhất chất lượng hệ thống. 1.1.Nhiễu ICI

Hình 1 mô tả sơ đồ khối của hệ thống OFDM [4][5].

Khuyết điểm chính của OFDM là nó nhạy cảm với một sự thay đổi nhỏ về tần số ở máy thu và máy phát, cơ bản gọi là độ lệch tần số (frequency offset). Độ lệch tần số này có thể tạo ra do hiệu ứng Doppler tương quan theo sự dịch chuyển giữa máy phát và máy thu, hay do sự khác biệt tần số của các bộ dao động nội giữa máy phát và máy thu. Độ lệch tần số [2]được mô hình hóa là thành phần nhân thêm tạo bởi kênh truyền được giả sử như Hình 2.

Để đánh giá ảnh hưởng của nhiễu ICI lên hệ thống người ta dùng hệ số CIR. CIR là tỉ số giữa công suất trung bình của tín hiệu chia cho công suất trung bình của nhiễu.

I.2.Phương pháp ước lượng độ dịch tần dùng giải thuật ML

Một phương pháp để sửa sai độ lệch tần số trong hệ thống OFDM là ước lượng độ dịch tần dùng giải thuật ML (Maximum likelihood estimation). Phương pháp này được đề xuất bởi Moose [3]. Ý tưởng của phương pháp này là độ dịch tần số sẽ được ước lượng thống kê nhờ dữ liệu nhận được tại máy thu, sau đó sử dụng giá trị ước lượng được để giảm bớt ảnh hưởng của độ dịch tần số lên tín hiệu. Để đạt được điều này, chúng ta cần tạo ra một bản sao của các kí tự OFDM trước khi truyền. Tại máy thu, pha của từng sóng mang con trong mỗi kí tự OFDM sẽ được so sánh pha để tính toán ra giá trị của độ dịch tần số. Sơ đồ khối của hệ thống OFDM sử dụng phương pháp ước lượng độ dịch tần số thể hiện trên Hình 3.

Ước lượng ML của độ lệch tần số được tính toán dựa trên dữ liệu nhận được. Khi độ lệch tần số đã biết được, méo dạng ICI trên kí tự dữ liệu được giảm thiểu bằng cách nhân kí tự nhận được với độ lệch tần số phức liên hiệp và thực hiện biến đổi Fourier nhanh FFT.

1.3.Phương pháp tự triệt ICI

Phương pháp tự triệt ICI (ICI self cancellation) [2] là phương pháp được giới thiệu bởi Zhao và Sven-Gustav vào năm 2001 để chống lại và khử nhiễu ICI tác động lên hệ thống OFDM. Ý tưởng chính của phương pháp này là điều chế kí tự dữ liệu đầu vào trên một nhóm các sóng mang với một hệ số biết trước sao cho tín hiệu nhiễu ICI tác động lên nhóm này tự triệt tiêu lẫn nhau, đó là ý nghĩa của tên gọi "tự triệt ICI“.

Từ đó, một kí tự dữ liệu không chỉ được điều chế trên một sóng mang con duy nhất mà nó được điều chế trên ít nhất hai sóng mang con liên tiếp. Nếu kí tự dữ liệu 'a' được điều chế trên sóng mang con thứ nhất thì kí tự dữ liệu '-a' sẽ được điều chế trên sóng mang thứ hai. Vì vậy, nhiễu ICI tạo ra trên hai sóng mang con liên tiếp này sẽ tự triệt tiêu lẫn nhau.Phương pháp này thích họp với những kênh truyền fading đa đường. Nó cũng phù hợp với kênh truyền fading phảng. Phương pháp tự triệt ICI này đơn giản, ít phức tạp và hiệu quả. Hạn chế chính của phương pháp này là nó làm giảm hiệu suất băng thông do một kí tự dữ liệu bây giờ tồn tại trên ít nhất hai sóng mang con liên tiếp. Hình 4 mô tả sơ đồ khối của hệ thống OFDM sử dụng phương pháp tự triệt ICI.

Tuy nhiên, do có sự lặp lại các kí tự, hiệu suất băng thông của phương pháp tự triệt ICI bị giảm đi một nửa. Vì vậy, để có được băng thông đầy đủ như trước, ta có thể điều chế nhiều bit hơn trên một kí tự truyền đi. Ví dụ hệ thống OFDM sử dụng điều chế 4PSK cùng với phương pháp tự triệt ICI sẽ thu được băng thông hữu ích bằng với hệ thống OFDM chuẩn (dùng điều chế BPSK).

I.4.Kết hợp ước lượng kênh truyền LS với các giải pháp triệt nhiễu ICI trong môi trường fading chọn lọc kép

Do môi trường truyền thực tế là môi trường fading chọn lọc kép nên việc sử dụng pilot để ước lượng kênh truyền là cần thiết. Việc ước lượng kênh truyền giúp giảm thiểu bớt ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu. Bài báo sử dụng thuật toán ước lượng kênh truyền LS (Least Square). Thuật toán này không cần biết các thông số của kênh truyền nên thuật toán có độ phức tạp thấp. Hàm truyền được ước lượng dựa vào dữ liệu pilot biết trước và dữ liệu pilot nhận được ở phía thu.

Việc kết hợp ước lượng kênh truyền với các giải pháp triệt nhiễu ICI nhằm đảm bảo chất lượng hệ thống khi truyền tín hiệu qua kênh truyền thực tế.

II.KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Để đánh giá giải pháp ước lượng kênh truyền LS với các giải pháp triệt nhiễu ICI trong môi trường fading chọn lọc kép, bài báo thực hiện so sánh 3 hệ thống: hệ thống OFDM, hệ thống OFDM sử dụng phương pháp ước lượng độ dịch tần số dùng giải thuật ML và hệ thống OFDM dùng phương pháp tự triệt ICI thông qua các kết quả mô phỏng. Theo đó, hệ thống OFDM dùng trong mô phỏng sử dụng 1024 sóng mang con trong đó chỉ có 840 sóng mang con mang dữ liệu. Khoảng bảo vệ được thêm vào để chống nhiễu, chiều dài khoảng bảo vệ là 256. Hệ thống OFDM mô phỏng hoạt động tại tần số 2.5 GHz với băng thông 20 MHz.

Kênh truyền dùng trong mô phỏng là kênh truyền fading theo chuẩn rrU-R [6] [7]. Đây là chuẩn sử dụng để mô hình hóa hệ thống WiMAX. Đối với mô hình kênh truyền này, sẽ có ba dạng kênh truyền: indoor, pedestrian và vehicular tương ứng theo tốc độ di chuyển tương đối giữa máy phát và máy thu. Thông số của ba mô hình kênh truyền này như chỉ ra ở Bảng 1.

Kết quả mô phỏng như sau:

Hình 5 biểu diễn đường cong CIR của hệ thống OFDM sử dụng phương pháp tự triệt ICI. Để so sánh, đường cong CIR của hệ thống OFDM cơ bản (không có giải pháp giảm nhiễu ICI) cũng cùng biểu diễn trên đồ thị. Ta có thể thấy trong khoảng độ lệch tần số  phương pháp tự triệt ICI làm cho CIR tăng hơn 15 dB và nhất là trong khoảng độ lệch tần số nhỏ đến trung bình độ tăng của CIR có thể đạt đến 17 dB. Hình 6 là kết quả mô phỏng BER (Bit Error Rate) trên kênh truyền indoor với độ dịch tần số khác nhau. Vận tốc tương đối giữa máy phát và máy thu trên kênh truyền này là 1 km/h. Hệ thống OFDM sử dụng ước lượng kênh truyền LS với phương pháp tự triệt ICI có BER tốt nhất so với các hệ thống còn lại. Điều đó cho thấy khả năng của phương pháp này trong việc làm giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu ICI lên tín hiệu OFDM trong môi trường này. Ước lượng kênh truyền kết hợp với phương pháp ước lượng độ dịch tần số cũng có tác dụng trong việc làm giảm bớt ảnh hưởng của nhiễu ICI (BER tốt hơn so với hệ thống OFDM cơ bản).

Đối với kênh truyền pedestrian, vận tốc tương đối giữa máy phát và máy thu sử dụng để mô phỏng là 5 km/h. Nhiễu ICI trên kênh truyền này lớn hơn trên kênh truyền indoor (chất lượng của các hệ thống OFDM không tốt như trong môi trường indoor). Ước lượng kênh truyền LS cùng với phương pháp tự triệt ICI cũng như với phương pháp ước lượng độ dịch tần số vẫn cho thấy khả năng loại bớt nhiễu ICI của hệ thống, làm hệ thống hoạt động tốt hơn so với hệ thống OFDM cơ bản. Phương pháp tự triệt ICI vẫn là phương pháp tốt hơn trên kênh truyền này.

Kênh truyền cuối cùng là kênh truyền vehicular. Đây là dạng kênh truyền mà tốc độ tương đối giữa máy phát và máy thu tương đối cao. Nhiễu ICI trong môi trường này ảnh hưởng rất lớn lên tín hiệu OFDM làm chất lượng của hệ thống xấu đi nhiều. Để mô phỏng, vận tốc được chọn là 40 km/h. Khả năng chống lại nhiễu ICI của giải pháp kết hợp được sử dụng vẫn hoạt động tốt, BER của các hệ thống này đều tốt hơn nhiều so với hệ thống OFDM cơ bản. Việc kết hợp ước lượng kênh truyền với phương pháp ước lượng độ dịch tần số giúp cải thiện chất lượng hệ thống nhưng không tốt như khi kết hợp với phương pháp tự triệt ICI.

KẾT LUẬN

Bài báo mô phỏng hệ thống OFDM trên môi trường fading chọn lọc kép với các giải pháp ước lượng kênh truyền kết hợp các giải pháp giảm nhiễu ICI. Phương pháp tự triệt ICI và phương pháp ước lượng và bù lại độ dịch tần cùng với việc ước lượng kênh truyền được đưa vào hệ thống nhằm loại bỏ đi bớt ảnh hưởng của nhiễu ICI gây ra do môi trường này. Kết quả mô phỏng trên các dạng kênh truyền khác nhau cũng như so sánh cho thấy chất lượng của hệ thống OFDM dùng phương pháp tự triệt nhiễu ICI là tốt nhất.

Tuy nhiên, một nhược điểm của giải pháp tự triệt nhiễu ICI là làm giảm một nửa băng thông do chèn một nửa dữ liệu lặp lại tại phía phát. Chính vì vậy, các giải pháp đang được nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện băng thông cho các giải pháp này.

Tài liệu tham khảo

[1]. J.AHN and H.S.LEE, Frequency domain equalzatbn of OFDM signal over frequency nonselective Rayleigh fading channels, Electronics Letters, vol. 29, no.16, pp.1476-1477, Aug.1993.
[2].Y.ZHAO and S.G.HaGGMAN, Intercamer interference self¬cancellation scheme for OFDM mobile communicator! systems, IEEE Transactions on Communications, vol.49, pp.1185-1191, July 2001.
[3].P.H.MOOSE, A technique for orthogonal frequency division multiplexing frequencyoffset correction, IEEE Trans. on Commun., vol. 42, no. 10, pp. 2908-2914, Oct. 1994.
[4].S.WEINSTEIN and P.EBERT, Data Transmission by Frequency Division Multiplexing Using the Discrete Fourier Transform IEEE Trans. On Commun. vol.19, Issue: 5, pp. 628-634, Oct.1971.
[5]. L.J.CIMINI, Analysis and simulation of a digital mobile channel using orthogonal Frequency division multiplex, IEEE Trans. Communications., Vol.COM- 33, pp.665-675, July 1985.
[6].F. WANG, A. GHOSH, Mobile WiMAXSystems:Performance and Evolution, IEEE Communications Magazine, vol. 46, no.10, October 2008, pp.41-49.
[7]. REBECA M.COLDA, TUDOR PALADE, Transmissbn Performance Evaluatbn of Mobile WiMAX Pedestrian Environments, 17th Telecommunications forum TELFOR, Serbia, Belgrade, November 24-26, 2009.

Mạc Đức Dũng

(TC TTTT Kỳ 2/12/2014)