Phương pháp thích nghi theo số lượng và vị trí sóng mang con trong hệ truyền dẫn OFDM

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI THEO SỐ LƯỢNG VÀ VỊ TRÍ SÓNG<br /> MANG CON TRONG HỆ TRUYỀN DẪN OFDM<br /> Trần Hữu Toàn1*, Bạch Nhật Hồng2<br /> Tóm tắt: Kênh vô tuyến thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, điều này làm giới<br /> hạn hiệu năng truyền dẫn và thông lượng của các hệ thống truyền thông vô tuyến.<br /> Và một trong các phương pháp để khắc phục vấn đề này đó là phương pháp điều<br /> chế thích nghi. Hiện nay, trong hệ truyền dẫn OFDM (Orthogonal Frequency<br /> Division Multiplexing) của các hệ thống truyền hình số hiện đại người ta đã áp<br /> dụng phương pháp thích nghi theo mức điều chế, theo tỷ lệ mã và theo sơ đồ điều<br /> chế. Bài báo này đề xuất một phương pháp điều chế thích nghi: phương pháp thích<br /> nghi theo số lượng và vị trí các sóng mang con, để tăng các phương án kết hợp cho<br /> bộ điều chế OFDM nhằm tận dụng tối đa hiệu quả của phân tập tần số trong kênh<br /> phađinh chọn lọc tần số.<br /> Từ khóa: Điều chế thích nghi, OFDM-Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, AOFDM-Điều chế thích<br /> nghi cho hệ thống OFDM, DVB-T - Truyền hình số mặt đất.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Điều chế thích nghi là lựa chọn khuôn dạng điều chế một cách linh hoạt và liên tục để<br /> thu được thông lượng tối ưu khi tỷ số tín/tạp SNR (Signal-to-Noise Ratio) thu biến đổi<br /> trong một phạm vi rộng theo thời gian. Có thể hiểu, điều chế thích nghi là san bằng trong<br /> thời gian thực giữa dung lượng kênh, mức công suất phát, tốc độ phát symbol, kích thước<br /> chòm sao, tỷ lệ mã và sự liên quan giữa các thông số này. Với những tiến bộ của truyền<br /> thông vô tuyến thì các thuật toán thích nghi ngày càng trở nên hấp dẫn do tính linh hoạt,<br /> hiệu quả trong sử dụng phổ tần và thông lượng lớn tạo nên chất lượng truyền dẫn cao. Các<br /> thuật toán thích nghi thay đổi giá trị của các tham số điều chế một cách động ứng với trạng<br /> thái tức thời của kênh. Khi kênh tốt các giá trị này sẽ thay đổi các tham số điều chế sao<br /> cho thu được thông lượng hệ thống lớn, khi kênh xấu, khi này các giá trị sẽ điều khiển các<br /> tham số điều chế sao cho giảm thông lượng hệ thống để đảm bảo chất lượng truyền<br /> dẫn.Trong điều chế thích nghi có hai tham số cần quan tâm: tham số kênh và tham số điều<br /> chế. Trong thuật toán điều chế thích nghi thì các tham số điều chế được xác định bởi các<br /> tham số chất lượng của kênh truyền. Trong thực tế các tham số của kênh thay đổi do đó<br /> tham số điều chế cũng thay đổi để thích nghi. Tồn tại nhiều thông số điều chế thích nghi<br /> như: mức điều chế, sơ đồ điều chế, SNR phát, số lượng các sóng mang, vị trí sóng mang,<br /> tỷ lệ mã, tỷ lệ trải phổ. Trong hệ truyền dẫn OFDM của các hệ thống truyền hình số hiện<br /> đại người ta đã áp dụng phương pháp thích nghi theo mức điều chế, theo tỷ lệ mã và theo<br /> sơ đồ điều chế. Ví dụ, trong DVB-S2 người ta đã sử dụng 4 phương thức điều chế: QPSK,<br /> 8PSK, 16APSK và 32APSK và 11 tỷ lệ mã khác nhau:1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5,<br /> 5/6, 8/9 và 9/10. Do đó, có thể kết hợp mã hóa và điều chế để lựa chọn 28 kiểu điều chế và<br /> mã hóa theo điều kiện chất lượng kênh truyền. Trong bài báo này ta sẽ đề xuất bổ sung<br /> thêm phương pháp thích nghi theo số lượng và vị trí các sóng mang con để tăng các<br /> phương án kết hợp cho bộ điều chế OFDM nhằm tận dụng tối đa hiệu quả của phân tập tần<br /> số trong kênh phađing chọn lọc tần số. Trước hết xét mô hình điều chế thích nghi AOFDM<br /> (Adaptive OFDM).<br /> 2. MÔ HÌNH AOFDM<br /> Mô hình AOFDM mô tả trên hình 1.<br /> Công thức toán học của tín hiệu sau bộ IFFT như sau:<br /> <br /> <br /> <br /> 70 T. H. Toàn, B. N. Hồng, “Phương pháp thích nghi theo số lượng… hệ truyền dẫn OFDM.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> N 1 N 1<br /> X (n)   X (k )ei 2n / N   X (k )ei 2f IFFTTlmkn (1)<br /> k 0 k 0<br /> <br /> Trong đó: X (n) : tín hiệu phức trong miền thời gian rời rạc; X (k ) : tín hiệu phức<br /> trong miền tần số rời rạc; n : chỉ số của mẫu trong miền thời gian; k : chỉ số tần số trong<br /> 1<br /> miền tần số; N : Tổng số các điểm lấy mẫu; TIFFT   NTlm : chu kỳ của bộ IFFT;<br /> f IFFT<br /> f IFFT : tần số của bộ IFFT; Tlm : chu kỳ của mẫu<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Mô hình AOFDM.<br /> <br /> Tùy theo chế độ điều chế đa sóng mang mà số sóng mang N sẽ khác nhau. Ví dụ nếu<br /> sử dụng hai chế độ 2K hoặc 8K thì theo thuật toán dùng cơ số 2:<br /> 2K = 211 = 2048 mẫu<br /> 8K = 213 = 8192 mẫu<br /> Như vậy, ở chế độ 2K ta có 2048 sóng mang con<br /> Ở chế độ 8K ta có 8192 sóng mang con<br /> Thông thường những sóng mang hữu ích được xếp xung quanh tần số trung tâm của<br /> băng tần cơ bản bằng 1/2 tần số lấy mẫu. Với băng tần VHF tần số lấy mẫu là 8MHz và<br /> UHF tần số lấy mẫu là 9,142 MHz. Các sóng mang hữu ích được chọn trong khoảng giữa<br /> của chuỗi FFT như nêu trong bảng 1.<br /> Bảng 1. Vị trí của sóng mang con.<br /> Chế độ FFT FFT FFT<br /> Mode 2K 0 đến 171 172( K min ) đến 1876( K max ) 1877 đến 2047<br /> Mode 8K 0 đến 687 688( K min ) đến 7504( K max ) 7505 đến 8191<br /> <br /> <br /> Như vậy, số sóng mang hữu ích với chế độ 2K là 1705 sóng mang con; Số sóng mang<br /> hữu ích với chế độ 8K là 6817 sóng mang con<br /> 3. THUẬT TOÁN THÍCH NGHI DỰA TRÊN CƠ CHẾ<br /> CHỌN LỌC SÓNG MANG CON<br /> Do tính chất chọn lọc của đáp ứng kênh trong miền tần số và miền thời gian nghĩa là<br /> pha đinh chọn lọc tần số và pha đinh chọn lọc thời gian hay nói cách khác đáp ứng kênh<br /> truyền vô tuyến không những thay đổi theo thời gian mà còn thay đổi theo tần số. Vì vậy<br /> đối với kênh chọn lọc tần số tồn tại những khoảng băng tần kênh có độ biến động là chấp<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 71<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> nhận được và không chấp nhận được, vì vậy dựa trên tính chất chọn lọc tần số của kênh ta<br /> có thể xây dựng thuật toán thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang nhằm phát huy tối<br /> đa ưu điểm của phân tập tần số. Vùng tần số của đáp ứng kênh ít bị thăng giáng thì truyền<br /> dữ liệu trên các sóng mang con trên đó. Vùng tần số của đáp ứng kênh bị thăng giáng<br /> mạnh thì không truyền dữ liệu trên các sóng mang con trên đó hoặc truyền trên nhiều sóng<br /> mang con (phân tán lỗi) cải thiện BER (Bit Error Rate). Việc tăng, giảm số lượng các sóng<br /> mang con theo trạng thái kênh trên miền tần số cho phép cải thiện được cả hiệu năng BER<br /> và QoS (chất lượng dịch vụ), tức là đã thực hiện thích nghi theo số lượng sóng mang con.<br /> Trong hệ thống OFDM có nhiều yếu tố quyết định đến dung lượng kênh truyền dẫn. Nếu<br /> giả thiết rằng cấu hình các sóng mang con giống nhau, nghĩa là (điều chế, mã hóa, băng<br /> thông, công suất) như nhau. Lúc đó tốc độ bit tổng cộng của hệ thống OFDM xác định<br /> theo công thức:<br /> <br /> (Số bit/sóng mang con/ký hiệu) x số sóng mang con<br /> R∑ = [bps] (2)<br /> Độ dài ký hiệu<br /> Từ công thức (2) thấy rằng: khi dùng số lượng sóng mang con ít thì không hiệu quả về<br /> mặt thông lượng và có thể xảy ra trường hợp có nhiều sóng mang con bị lỗi quá ngưỡng<br /> cho phép, do đó dữ liệu được truyền trên một số ít sóng mang con còn lại. Kết quả làm<br /> giảm mạnh tốc độ bit truyền dẫn. Do vậy, để nâng cao hiệu năng của cơ chế thích nghi<br /> chọn lọc sóng mang thì số lượng sóng mang con cần phải đủ lớn (thông thường > 100)<br /> theo [3]. Vì chỉ hoạt động thích nghi trong miền tần số do đó đối với cơ chế thích nghi này<br /> sẽ giữ nguyên mức điều chế (M-QAM, M-PSK), song vẫn cải thiện được tốc độ truyền<br /> dẫn so với thuật toán thích nghi theo mức điều chế AQAM đơn thuần. Vì vậy để ngăn<br /> chặn lỗi thì phải tiến hành chọn lọc thích ứng các sóng mang con. Với điều kiện số lượng<br /> sóng mang con > 100, với truyền hình số chế độ 2K hoặc 8K thì điều kiện số lượng sóng<br /> mang con được sử dụng là 1705 hoặc 6817 là quá thỏa mãn. Vấn đề cơ bản của thuật toán<br /> thích nghi chọn lọc sóng mang là phải xác định được BER cho từng sóng mang con, sau<br /> đó so sánh với giá trị BERngưỡng để quyết định sẽ truyền hay không truyền dữ liệu trên sóng<br /> mang con đó.<br /> Nếu giá trị BER trên sóng mang con nào thấp hơn BERngưỡng thì phía phát sẽ tiến hành<br /> chèn ký hiệu hoa tiêu vào sóng mang con đó, phía thu sẽ tiến hành thu và tính BER trên<br /> các sóng mang được chèn hoa tiêu, nếu giá trị BER trên các sóng mang con này vẫn thấp<br /> hơn ngưỡng cho phép thì lại truyền dữ liệu bình thường trên các sóng mang con này. Do<br /> đó, việc chèn ký hiệu hoa tiêu lên các sóng mang con có tỷ lệ lỗi lớn sẽ giúp cho phía thu<br /> ước tính chính xác trạng thái kênh truyền dẫn. Quá trình thuật toán để tìm ra BER cho<br /> từng thành phần tần số sóng mang con rất phức tạp. Theo [2] công thức tính BER của sóng<br /> mang con thứ k xác định như sau:<br />  1 <br /> 41  <br />  M  2 <br /> BERk  Q  k2  (3)<br /> log 2 M     <br /> Trong đó: M – bậc điều chế<br /> 3<br /> <br /> M 1<br />  K2 - công suất tín hiệu trên sóng mang thứ k<br /> <br /> <br /> <br /> 72 T. H. Toàn, B. N. Hồng, “Phương pháp thích nghi theo số lượng… hệ truyền dẫn OFDM.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 2 - công suất tạp trên sóng mang thứ k<br /> Q - Ma trận tiền mã hóa<br /> Giá trị BERngưỡng : Do người dùng thiết lập tùy theo tính chất dịch vụ yêu cầu. Ví dụ đối<br /> với dịch vụ truyền số liệu thì BERngưỡng  0,01%. Từ các lập luận trên ta có mô hình thuật<br /> toán thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang cho hệ thống OFDM mô tả trên hình 2.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Mô hình thuật toán thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang cho hệ thống OFDM.<br /> <br /> Giả sử đáp ứng kênh (hàm truyền đạt) đã biết do khối ước lượng kênh, chế độ điều chế<br /> đa sóng mang của hệ OFDM chọn là 2K, tín hiệu OFDM trong miền tần số trong băng<br /> thông sẽ có dạng mô tả trên hình 3.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Hàm truyền đạt kênh và các sóng mang con trong chế độ 2K trong băng thông kênh.<br /> Từ đồ thị hình 3 thấy rằng: có một số sóng mang con rơi vào vùng tần số có hàm truyền<br /> đạt H(f) thăng giáng mạnh (tức có BER > BERngưỡng). Ta thành lập một mảng một chiều có<br /> kích thước bằng số lượng sóng mang được sử dụng. Ở đây, trong chế độ 2K bắt đầu từ vị<br /> trí sóng mang ở chỉ số 172 cho đến chỉ số 1876. Công việc của khối quyết định là: Nếu<br /> BER của sóng mang con nào nằm trong mảng quyết định (QĐ(k)) nào lớn hơn BERngưỡng<br /> thì sóng mang con đó được gán giá trị “1”, ngược lại thì gán giá trị “0”. Giá trị “1” báo<br /> hiệu là không truyền dữ liệu trên sóng mang con này, giá trị “0” báo hiệu truyền dữ liệu<br /> trên sóng mang con này. Lược đồ thuật toán của khối quyết định mô tả trên hình 4.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 73<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Lược đồ thuật toán hoạt động của khối quyết định.<br /> Khối điều khiển chèn: khối này lấy thông tin từ khối quyết định, nếu BER(k) ><br /> BERngưỡng, khi đó chỉ số k này trong mảng quyết định sẽ có giá trị bằng “1” và tiến hành<br /> chèn “0” lên sóng mang này, nếu ngược lại thì sẽ tiến hành truyền dữ liệu bình thường trên<br /> sóng mang này. Khối điều khiển chèn sẽ can thiệp thứ tự của ký hiệu phát trên mỗi sóng<br /> mang để đảm bảo sao cho nếu không sử dụng sóng mang thì sẽ chèn thêm ký hiệu “0”, và<br /> nếu sử dụng thì không chèn.<br /> Khối điều khiển giải chèn lấy thông tin chèn từ khối quyết định, dựa trên thông tin về<br /> các vị trí chèn tiến hành loại những ký hiệu chèn trên những sóng mang con được chèn và<br /> đưa những ký hiệu chèn này đến bộ ước tính kênh để tiến hành tìm đáp ứng kênh.<br /> 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG<br /> 4.1. Số liệu đầu vào<br /> Để đánh giá hiệu quả của kênh truyền OFDM khi sử dụng phương pháp thích<br /> nghi theo số lượng và vị trí sóng mang con, ta tiến hành mô phỏng hệ thống bằng phần<br /> mềm Matlab trong 2 trường hợp là không sử dụng phương pháp thích nghi và sử dụng<br /> phương pháp thích nghi, với cùng các số liệu đầu vào như sau: số sóng mang con: 120;<br /> kích thươc FFT: NFFT = 256; khoảng bảo vệ: Tg = 4; mức điều chế M=4; tần số lấy mẫu fs<br /> = 3 và giá trị BERngưỡng = 0.001.<br /> 4.2. Kết quả mô phỏng và bình luận<br /> Kết quả mô phỏng khi không sử dụng phương pháp thích nghi được thể hiện trên hình<br /> 5 và khi sử dụng phương pháp thích nghi theo số lượng và vị trí sóng mang con được thể<br /> hiện trên hình 6.<br /> <br /> <br /> 74 T. H. Toàn, B. N. Hồng, “Phương pháp thích nghi theo số lượng… hệ truyền dẫn OFDM.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Kết quả mô phỏng không sử dụng phương pháp thích nghi.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Kết quả mô phỏng sử dụng phương pháp thích nghi theo số lượng<br /> và vị trí sóng mang con.<br /> Từ kết quả mô phỏng ta thấy với kênh truyền OFDM sử dụng phương pháp thích nghi<br /> theo số lượng và vị trí sóng mang con kết quả BER tổng luôn xấp xỉ “0” đối với 4-QAM,<br /> giá trị này thấp hơn nhiều so với khi không sử dụng phương pháp thích nghi. Vì với việc<br /> sử dụng phương pháp thích nghi thì tại những vị trí các sóng mang con có BER ><br /> BERngưỡng = 0.001 sẽ không được dùng để truyền dữ liệu, như vậy không những cải thiện<br /> được BER của hệ thống mà còn tiết kiệm được phổ tần, năng lượng và nâng cao được hiệu<br /> suất kênh truyền.<br /> 5. KẾT LUẬN<br /> Ưu điểm nổi bật của cơ chế thích nghi chọn lọc tần số sóng mang là tận dụng tối đa<br /> những khoảng băng tần ít thăng giáng của hàm truyền đạt của kênh và giảm thiểu truyền<br /> dữ liệu trên những sóng mang con nằm trong khoảng băng tần có thăng giáng mạnh của<br /> hàm truyền đạt của kênh, do vậy giảm được ảnh hưởng của phađinh chọn lọc tần số. Trong<br /> khi đó những thuật toán thích nghi khác như: M-QAM, M-PSK … do xử lý như nhau đối<br /> với toàn bộ băng tần, nên không đối phó được với bất lợi của đáp ứng kênh trong miền tần<br /> số. Do vậy, thuật toán thích nghi này có thể ứng dụng cho truyền hình số, cùng với các<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 75<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> thuật toán thích nghi khác, để tăng số các phương án kết hợp thích nghi đồng thời để tăng<br /> độ linh hoạt và cải thiện hiệu năng BER và thông lượng truyền.<br /> <br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Nguyễn Văn Đức, “Lý thuyết và ứng dụng của kỹ thuật OFDM”, NXB Khoa học và<br /> kỹ thuật (2006).<br /> [2]. Đề tài nghiên cứu khoa học “Nghiên cứu điều chế thích ứng cho máy thu phát thông<br /> minh trong thông tin di động“, Nguyễn Phạm Anh Dũng và các cộng tác viên, Hà<br /> Nội 2004.<br /> [3]. Eric Philip Lawrey, “Adaptive Techniques for multiuser OFDM”, for the degree of<br /> Doctor of Philosophy in Electrical and Computer Engineering, (2001).<br /> [4]. Prateek Bansal and Andrew Brezinski, “Adaptive loading in MIMO / OFDM<br /> systems,” Standford University (2001).<br /> <br /> <br /> ABSTRACT<br /> ADAPTIVE MODULATION METHOD ACCODING TO QUANTITY AND<br /> LOCATION OF SUBCARRIERS IN OFDM TRANSMISSION SYSTEM<br /> The wireless channel changes randomly according to the time, this limits<br /> performance of the transmission line and capacity of wireless communication<br /> networks. And one of the methods to solve this problem is adaptive modulation.<br /> Today, in OFDM transmission system of new DVB (Digital Video Broadcasting),<br /> people applied adaptive modulation according to modulation level, coding rate and<br /> modulation scheme. This paper proposes an adaptive modulation method: adaptive<br /> method according to quantity and location of subcarriers in OFDM transmission<br /> system to increase associate plans in OFDM modulator in order to take full<br /> performance of frequency diversity in frequency – selective fading channels.<br /> Keywords: Adaptive Modulation, OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing, AOFDM –<br /> Adaptive OFDM, DVB-T – Digital Video Broadcasting – Terrestrial.<br /> <br /> Nhận bài ngày 24 tháng 9 năm 2015<br /> Hoàn thiện ngày 03 tháng 11 năm 2015<br /> Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 12 năm 2015<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1<br /> Địa chỉ: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội;<br /> 2<br /> Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên;<br /> *<br /> Email: toanth84@gmail.com<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 76 T. H. Toàn, B. N. Hồng, “Phương pháp thích nghi theo số lượng… hệ truyền dẫn OFDM.”<br />