intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Báo cáo nghiên cứu khoa học: " ỨNG DỤNG CÁC MÃ CI ĐỂ GIẢM PAPR VÀ NÂNG CAO DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG OFDM"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Nguyễn Phương Hà Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

90
lượt xem
12
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo tập trung phân tích các giải pháp để giảm tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) và nâng cao dung lượng hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM). Một trong các phương pháp giảm PAPR không gây méo tín hiệu là sử dụng mã trải phổ xây dựng dựa trên các tín hiệu CI [1,2] sắp xếp trực giao. Trong hệ thống OFDM, việc giảm PAPR và nâng cao dung lượng hệ thống là hai yêu cầu trái ngược nhau. ...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Báo cáo nghiên cứu khoa học: " ỨNG DỤNG CÁC MÃ CI ĐỂ GIẢM PAPR VÀ NÂNG CAO DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG OFDM"

  1. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 ỨNG DỤNG CÁC MÃ CI ĐỂ GIẢM PAPR VÀ NÂNG CAO DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG OFDM PAPR IMPROVEMENT AND CAPACITY ENHANCEMENT OF OFDM SYSTEM USING CI CODES TĂNG TẤN CHIẾN PHẠM THỊ MINH CHÂU PHẠM VĂN TUẤN Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Bài báo tập trung phân tích các giải pháp để giảm tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) và nâng cao dung lượng hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM). Một trong các phương pháp giảm PAPR không gây méo tín hiệu là sử dụng mã trải phổ xây dựng dựa trên các tín hiệu CI [1,2] sắp xếp trực giao. Trong hệ thống OFDM, việc giảm PAPR và nâng cao dung lượng hệ thống là hai yêu cầu trái ngược nhau. Để giải quyết vấn đề này, mã giả trực giao CI (POCI) [3] được đề xuất giúp nâng gấp đôi dung lượ ng nhưng vẫn đảm bảo giảm PAPR. Ngoài ra, một cấu trúc mã nâng cao khác cũng được đưa ra trong [6] với tính tương quan chéo thấp hơn. Các kết quả mô phỏng cho thấy 3 bằng việc sử dụng mã nâng cao, PAPR tại mức Pr(PAPR>PAPR 0)= 10 giảm 4dB trong khi mức giảm chỉ là 3dB khi ứng dụng mã POCI và là 2dB với mã CI. ABSTRACT Reduction of PAPR and increase of capacity are of the interests of the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system recently. In conventional OFDM system, PAPR increases when increasing system capacity. This paper studies the application of CI codes (CI and POCI) and enhanced complex spreading code in OFDM system for reducing PAPR while enhancing system capacity. The numerical results show that the new complex spre ading code presents superior performance with the gain of 4dB while it is only 3dB and 2dB for the current POCI and CI codes, respectively. 1. Đặt vấn đề Một trong các nhược điểm chính của hệ thống OFDM là tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) lớn và do đường bao tín hiệu thay đổi theo tin tức, bộ khuếch đại cần độ tuyến tính cao hoặc phải làm việc ở một độ lùi khá lớn. Do đó yêu cầu giảm PAPR trong hệ thống OFDM là rất cần thiết. Các phương pháp giảm PAPR có thể xếp thành hai nhóm: Nhóm gây méo tín hiệu và nhóm không gây méo tín hiệu. Nhóm 1, tiêu biểu là xén đỉnh, gây bức xạ ngoài băng và méo trong băng làm suy giảm chất lượng hệ thống. Nhóm 2 có điểm chung là biến tín hiệu ban đầu thành tín hiệu mang thông tin tương đương nhưng có PAPR thấp. Các phương pháp nhóm 2 như: mã hoá làm tăng độ dư thừa, xử lý không gian tín 17
  2. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 hiệu làm tăng độ phức tạp máy phát và yêu cầu truyền thông tin bên lề. Áp dụng các mã CI giảm PAPR là một trong các phương pháp không gây méo tín hiệu, không yêu cầu thông tin bên lề và có khả năng tăng gấp đôi dung lượng như mã POCI và mã nâng cao. Phần còn lại của bài báo có cấu trúc như sau: Phần II trình bày v ề sự ứng dụng của mã CI và POCI cũng như ưu nhược điểm của chúng trong hệ thống OFDM. Tiếp theo, trong phần III, đặc điểm của mã nâng cao được phân tích và đánh giá. Phần cuối thảo luận các kết quả mô phỏng và đưa ra kết luận. 2. Ứng dụng các mã CI trong hệ thống ofdm 2.1. Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) trong hệ thống OFDM được tính như sau: 2 max s (t ) (1) t 0,T   PAPR 2 mean s (t ) t 0,T  Trong đó s (t ) là tín hiệu đa sóng mang, T là chu kỳ ký hiệu OFDM. PAPR là thông số xét tại phía phát và thường được đánh giá thông qua hàm phân bố tích luỹ bù CCDF (Complementary Cumulative Distribution Function) của nó, tức là xác suất PAPR lớn hơn một giá trị PAPR0 : PrPAPR  PAPR0  . Xét bộ khuếch đại có thực hiện tuyến tính hoá, và gọi  max là hiệu suất cực đại của bộ khuếch đại, quan hệ giữa hiệu suất bộ khuếch đại  ,  max và PAPR được mô tả như sau [5]:    max / PAPR (2) Khi PAPR = 1 (PAPR tính theo dB thì bằng 0), hiệu suất bộ khuếch đại đạt cực đại. Hiệu suất giảm một nửa mỗi khi PAPR tăng 3dB. 2.2. Ứng dụng các mã CI và mã nâng cao: Trong phần này, ưu nhược điểm của các mã CI sau đây được phân tích: - Các mã CI truyền thống: mã CI và mã POCI. - Mã nâng cao được cấu trúc lại từ các mã CI truyền thống nhằm khắc phục một số nhược điểm còn tồn tại của mã CI và POCI [6]. 2.2.1. Mã CI (Carrier Interferometry) Mã CI gồm tập hợp N mã trực giao  kCI , với k = 0,.., N-1 là chỉ số mã. Mỗi mã có chiều dài N như sau:  kCI = e j 2 / N .0.k , e j (2 / N ).1.k ,, e j (2 / N )( N 1)k . Áp dụng mã CI vào hệ thống OFDM (hình 2) dựa trên ý tưởng dịch pha tuyến tính trong miền tần số, tạo các tín hiệu không cộng kết hợp (nguyên nhân gây đỉnh lớn) trong miền thời gian (hình 1), kết quả có PAPR thấp (sẽ được khảo sát trong các phần tiếp theo của bài báo). 18
  3. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 2.2.2. Mã POCI (Pseudo Orthogonal CI) Mã PO-CI gồm 2N mã cho phép tăng gấp đôi dung lượng hệ thống, với k=0, 1, ..., 2N-1 là chỉ số mã, mỗi mã có chiều dài N:  kPOCI = e   j 2 / N .0.k 0. , e j ( 2 / N ).1.k 1. ,, e j ( 2 / N )( N 1) k ( N 1) Có thể xem mã POCI gồm hai tập mã: Tập 1 ứng với   0 khi k=0,1, ..., N-1 chính là mã CI ; Tập 2 ứng với    / N khi k=N, N+1, ..., 2N-1 (    N Hình 1. Ứng dụng mã được chọn để cực tiểu hoá tương quan chéo giữa các CI trong hệ thống mã trong tập 1 và tập 2 [3]). OFDM không tạo đỉnh 2.2.3. Sơ đồ khối hệ thống CI/OFDM và POCI/OFDM lớn trong tín hiệu đa sóng mang [4] truyền thống Hình 2. Sơ đồ khối hệ thống CI/OFDM và POCI/OFDM - máy phát (trái) và máy thu (phải) Sơ đồ khối hệ thống CI/OFDM được biểu diễn ở hình 2. Hệ thống POCI/OFDM có sơ đồ khối tương tự, với số luồng song song sau bộ S/P là 2N. Tín hiệu phát trong hệ thống CI/OFDM và POCI/OFDM: 1 N 1 j 2nm / N K 1 sn   e  ak . k (3) N m 0 k 0 với K = N nếu là hệ thống CI/OFDM, K = 2N nếu là hệ thống POCI/OFDM, ak là ký tự dữ liệu thứ k, m là chỉ số song mang. Số lượng ký tự dữ liệu truyền đồng thời phụ thuộc vào số lượng mã của bộ mã. Ký hiệu dữ liệu thu thứ k sau bộ kết hợp và nén phổ được viết:  Wi.Z (i).  N 1 K 1 N 1 1 1   a(u).H (i).W(i). ( , k )  i* a(k )  ˆ (4) R u k NK N i 0 u 0 i 0 với: H(i) là đáp ứng tần số của kênh, W(i) là các trọng số của bộ kết hợp, Z(i) là nhiễu AWGN. (4) cho thấy cần những mã có tương quan chéo R( u ,  k ) ( u  k ) càng nhỏ càng tốt. 19
  4. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 2.2.4. Phân tích ưu nhược điểm của các mã CI truyền thống Bảng 1. Các kết quả đánh giá ưu nhược điểm của các mã CI truyền thống Mã Mã CI Mã POCI Đánh giá Hàm tương quan chéo giữa mã thứ p Hàm tương quan chéo giữa mã thứ p và mã thứ q : trong tập 1 và mã thứ q trong tập 2, đặt N 1 j ( p q ) 2 n k=q-p: 1 e R( p, q)  2  N N 1 k  ).n 1 e j( N no N N R(p,q) = =   p  q N Hàm tương quan n 0 (5)  2  chéo (1)k sin 1 ( N  1) k   R p, q = 0 khi p  q : Mã CI tối  N  (6) 2 1 1 N   j. 2   N N sin 1  k   ưu đối với cả dữ liệu thực và phức. N N 2 a0 , a1 ,..,aN 1 T là dữ liệu Gọi a0 , a1 ,..,a2 N 1 T là dữ liệu đầu Gọi a = a= Mối quan hệ giữa đầu vào bộ S/P, dữ liệu đầu ra của bộ vào bộ S/P, dữ liệu đầu ra của bộ IFFT tín hiệu đầu vào bộ IFFT có thể viết: có thể viết: SPOCI = SCI + S (8a) S/P và ra bộ IFFT SCI = W W a = Ra Với khi ứng dụng các SCI = a , a , a ,, a T (7) SCI = a0 , a N 1 , a N 2 ,, a1  N 1 N 2 T 0 1   (8b) mã CI theo cách truyền thống (mục Với R = W W  Rpq   N 1 T S  a N , a 2 N 1 , a 2 N  2 ,  , a N 1 2 NxN ) 1, ( p  q)  N R pq   (8c) 0,  j / N  e  Ưu: Ưu: - (5) cho thấy mã CI ứng dụng được - Nâng cao gấp đôi dung lượng hệ thống với dữ liệu phức. (số lượng mã gấp đôi mã CI). Nhược : - (6) và kết quả mô phỏng hình 3 cho - Không ứng dụng được trên tất cả thấy mã POCI càng tốt khi chiều dài mã sóng mang vì (7) cho thấy tín hiệu càng lớn (hình 3: dặc tính BER theo SNR đầu ra bộ IFFT SCI của hệ thống ứng với POCI BPSK N=512 tốt hơn CI/OFDM truyền thống chỉ là bản N=16). dịch của dữ liệu đầu vào tức là biến Nhược: Đánh giá hệ thống đa song mang thành hệ - Chỉ ứng dụng đối với dữ liệu thực (hình thống đơn sóng mang. 3: đường BER theo SNR ứng với POCI QPSK rất xấu). - Không ứng dụng được trên tất cả sóng mang vì (8a), (8b), (8c) tín hiệu đầu ra bộ IFFT SPOCI của hệ thống POCI/OFDM truyền thống chỉ là bản dịch và tổng hợp của dữ liệu đầu vào. Nhận xét: Mã CI và POCI có thể được sử dụng để giảm PAPR trong hệ thống với điều kiện sử dụng tất cả các sóng mang làm sóng mang dữ liệu. Bài báo đề nghị ứng dụng các mã CI và POCI theo mô hình OFDM thực tế trong đó không sử dụng sóng mang DC và sóng mang ở vị trí khoảng bảo vệ (guard band) [7]. 20
  5. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 2.3. Mã nâng cao BER theo SNR trong he thong POCI/OFDM 0 Từ (5), để tín hiệu thu có chất lượng 10 tốt thì cần cấu trúc lại bộ mã để có tương quan chéo càng nhỏ càng tốt. Mã mới được -1 10 xây dựng trên ba tiêu chí: đặc tính tương quan tốt, giảm PAPR và nâng cao dung lượng [6]. BER -2 10 Các mã CI và POCI đều có dạng: j  k , n  -3 C(k,n)= e . 10 POCI BPSK N=16 Để không có dạng ma trận IDFT, mã POCI BPSK N=512 POCI QPSK mới cấu trúc lại chip đầu tiên của mỗi mã (trừ -4 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 mã đầu tiên) thành số phức thay vì số thực SNR (dB) Hình 3. BER theo SN trong hệ như mã CI. Hàm tương quan chéo R p, q  thống POCI/OFDM giữa hai mã C(p,n) và C(q,n) được cho như sau [6]: N 1 N 1 1 1  C ( p, n).C e R  p, q  = j .n. ( q , n)  (9) * N N n 1 n 1 với n   =   p, n   q, n , hàm tương quan chéo được viết lại như sau: sin N 1  R( p, q)  (cos(N  1) 1   j sin N  1 1  ) 1 (10) 2 sin 2  2 2 1 N Biểu thức trên đã cho giá trị tự tương 9 quan là 1.   được chọn để có tương quan 8 7 chéo thấp trong khi tăng dung lượng hệ 6 thống. R p, q  0 cho lời giải là mã CI với 5 4 bien do 3   =k 2 / N . Xét với dữ liệu thực: 2 1  sin 1 2 N  1  ReRp,q = 1  2 0  1 (11) -1 2N   sin 1  -2   0 1 2 3 4 5 6 7 8 9  2 / 9  2 Từ hình 4, để chọn các pha cách đều Hình 4. Chọn pha cách đều nhau, ta chọn các giá trị   để: BER theo SNR trong he thong OFDM ung dung nang cao 0 sin 1 (2 N  1) 10  0 . Bộ mã mới có cấu 2 sin 1  2 -1 trúc như sau: 10  2  .k .(n1) j  2 N 1  C(k,n) = e , BER -2 10 trong đó k = 0,…, 2N; n = 0,1,…, N-1. k có giới hạn đến 2N do hàm -3 10 POCI BPSK N=16 sin 1 (2N  1) / sin 1  tuần hoàn Ma nang cao BPSK N=16 2 2 Ma nang cao BPSK N=512 Ma nang cao QPSK (hình 4). -4 10 Mã mới hỗ trợ truyền đồng thời 0 5 10 15 Hình 5. BER theo SNR trong hệ SNR (dB) (2N+1) ký tự trên N sóng mang, cho phép thống mã nâng cao/OFDM nâng cao dung lượng hệ thống. Hình 4 21
  6. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 (N=4) biểu diễn 9 giá trị của   : (0,1,2,…,8)x 29 tương ứng với một tập hợp  2N+1=9 mã. Có thể tóm tắt các ưu nhược điểm của mã nâng cao như sau: Bảng 2. Ưu nhược điểm của mã nâng cao Ưu điểm Nhược điểm - Nâng cao gấp đôi dung lượng hệ thống. - Chỉ ứng dụng đối với dữ liệu thực: - Ứng dụng được trên tất cả các sóng Hình 5 cho thấy mã nâng cao QPSK cho chất lượng tín hiệu thu rất xấu. mang. - Đặc tính tương quan tốt hơn mã POCI: Hình 5 cho thấy với cùng chiều dài N=16 thì mã nâng cao cho chất lượng tín hiệu thu tốt hơn mã POCI. - Mã càng tốt khi chiều dài mã càng lớn: Đặc tính BER theo SNR của mã nâng cao với N=512 tốt hơn N=16 như biểu diễn trên hình 5. 3. Kết quả mô phỏng và thảo luận 3.1. Kết quả mô phỏng ứng dụng các mã CI và POCI Mô phỏng được thực hiện theo mô hình mạng LAN không dây chuẩn 802.11a số lượng sóng mang là N=64 trong đó số sóng mang dữ liệu là 48 (chiếm 75%). Các sóng mang DC và khoảng bảo vệ không được sử dụng. Với N=256 và N=512, ta áp dụng mô hình tương tự. Ung dung ma CI vao he thong OFDM 0 10 -1 10 Pr(PAPR>PAPR0) 75% song mang du lieu 64 QAM OFDM N=64 -2 10 CI/OFDM N=64 OFDM N=256 CI/OFDM N=256 OFDM N=512 CI/OFDM N=512 -3 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 PAPR0 (dB) Hình 6. Ứng dụng mã CI (trái) và mã POCI (phải) theo mô hình hệ thống WLAN (N=64), N=256, N=512 Tại mức Pr(PAPR>PAPR0)= 103 , từ kết quả mô phỏng hình 6, hệ thống CI/OFDM và POCI/OFDM có PAPR0 giảm tương ứng khoảng 2dB và 3dB so với hệ thống OFDM. Lợi ích của mã POCI là nâng cao gấp đôi dung lượng hệ thống OFDM. 22
  7. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 Ung dung nang cao vao he thong OFDM 2. Kết quả ứng dụng mã nâng 0 10 cao Vì mã mới không có dạng ma trận IDFT nên ta hoàn -1 10 Pr(PAPR>PAPR0) toàn có thể ứng dụng mã mới trên tất cả các sóng mang của hệ thống OFDM. Từ kết quả mô -2 10 phỏng tại mức hình 7, 3 Pr(PAPR>PAPR0)= 10 , hệ thống OFDM mã nâng cao/OFDM có khả năng Ma nang cao/OFDM -3 10 giảm PAPR0 khoảng 4dB so với hệ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Hình 7. Ứng dụng mã nâng cao vào PAPR (dB) 0 thống OFDM trong khi tăng gấp hệ thống OFDM đôi dung lượng hệ thống OFDM. 3. Đánh giá hiệu quả giảm PAPR thông qua đánh giá hiệu suất bộ khuếch đại Để đánh giá hiệu quả giảm PAPR tại phía phát người ta thường dựa vào hiệu suất bộ khuếch đại. Bảng sau tóm tắt kết quả tăng hiệu suất bộ khuếch đại nhờ ứng dụng các mã CI giảm PAPR trong hệ thống OFDM. Bảng 3. Kết quả nâng cao hiệu suất bộ khuếch đại nhờ áp dụng các mã CI giảm PAPR Giảm PAPR Hiệu suất bộ khuếch đại Mã 3 tại Pr(PAPR>PAPR0)= 10 (tính theo (2)) Tăng 158% Mã CI 2dB Tăng 200% Mã POCI 3dB Tăng 250% Mã CI nâng cao 4dB 4. Kết luận Bài báo phân tích các ưu nhược điểm của các mã CI bao gồm: mã CI, mã POCI và mã nâng cao, và đánh giá hiệu quả ứng dụng của các mã CI vào hệ thống OFDM. Về lý thuyết, với mã CI và POCI thì ta không sử dụng tất cả các sóng mang làm sóng mang dữ liệu; với mã nâng cao thì ta có thể sử dụng tất cả các sóng mang làm sóng mang dữ liệu. PAPR tại mức Pr(PAPR>PAPR0)= 103 giảm 2dB khi ứng dụng mã CI, khoảng 3dB khi ứng dụng mã POCI và khoảng 4dB với mã nâng cao. Về đánh giá hiệu quả giảm PAPR, kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp ứng dụng các mã CI cho các kết quả khá tốt trong việc nâng cao hiệu suất bộ khuếch đại. Để đánh giá toàn diện hơn hiệu quả giảm PAPR, hướng phát triển của đề tài là đánh giá hiệu quả giảm PAPR tại phía thu thông qua đánh giá chất lượng hệ thống với điều kiện tín hiệu phát được đưa qua một bộ khuếch đại và chịu đặc tính xén đỉnh cố hữu của bộ khuếch đại này. Mã CI và POCI có thể viết dưới dạng ma trận IDFT cho ta một hướng phát triển khác của đề tài là nghiên cứu giải pháp thực thi các mã CI và POCI sử dụng thuật toán FFT nhằm giảm độ phức tạp hệ thống. 23
  8. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C.R. Nassar, B. Natarajan and S. Shattil, “Introduction of Carrier Interference to spread spectrum multiple access”, Proc. of the IEEE Emerging Technologies Symposium on Wireless Communications and Systems, 1999, pp. 4.1 - 4.5. [2] Wiegandt, D.A., Nassar, C.R., Zhiqiang Wu, “Overcoming peak-to-average power ratio issues in OFDM viacarrier-interferometry codes”, Proc. of the IEEE Vehicular Technology Conference, Vol. 2, 2001, pp. 660 - 663. [3] Wiegandt, D.A., Zhiqiang Wu, “High-throughput, high-performance OFDM via pseudo-orthogonal carrier interferometry spreading codes”, IEEE Transactions on Communications, Vol. 51, No. 7, July 2003, pp. 1123 - 1134. [4] Khoirul Anwar, "Peak-to-Average Power Ratio Reduction of OFDM Signals Using Carrier Interferometry Codes and Iterative Processing", Master Thesis, Nara Institute of Science and Technology, March 2005. [5] Baxley, R.J.; Zhou, G.T., “Power Savings Analysis of Peak-to-Average Power Ratio Reduction in OFDM”, IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 50, No. 3, Aug. 2004, pp. 792 - 798. [6] Anwar, K.; Saito, M.; Hara, T.; Okada, M.; Yamamoto, H. “New Spreading Codes for MC-CDMA and OFDM Systems”, Proc. of the IEEE Symposium on Computers and Communications, 26-29 June 2006, pp. 283 – 288. [7] R.Van Nee and R.Prasad, “OFDM for wireless multimedia communication”, Artech House Publisher, 2001. 24
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2