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

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. H. Toàn, B. N. Hồng, “Phương pháp thích nghi theo số lượng hệ truyền dẫn OFDM.” 70 PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI THEO SỐ LƯỢNG VÀ VỊ TRÍ SÓNG MANG CON TRONG HỆ TRUYỀN DẪN OFDM Trần Hữu Toàn1*, Bạch Nhật Hồng2 Tóm tắt: Kênh vô tuyến thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, điều này làm giới hạn hiệu năng truyền dẫn và thông lượng của các hệ thống truyền thông vô tuyến. Và một trong các phương pháp để khắc phục vấn đề này đó là phương pháp điều chế thích nghi. Hiện nay, trong hệ truyền dẫn OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) của các hệ thống truyền hình số hiện đại người ta đã áp dụng phương pháp thích nghi theo mức điều chế, theo tỷ lệ mã và theo sơ đồ điều chế. Bài báo này đề xuất một phương pháp điều chế thích nghi: phương pháp thích nghi theo số lượng và vị trí các sóng mang con, để tăng các phương án kết hợp cho bộ điều chế OFDM nhằm tận dụng tối đa hiệu quả của phân tập tần số trong kênh phađinh chọn lọc tần số. Từ khóa: Điều chế thích nghi, OFDM-Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, AOFDM-Điều chế thích nghi cho hệ thống OFDM, DVB-T - Truyền hình số mặt đất. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Điều chế thích nghi là lựa chọn khuôn dạng điều chế một cách linh hoạt và liên tục để thu được thông lượng tối ưu khi tỷ số tín/tạp SNR (Signal-to-Noise Ratio) thu biến đổi trong một phạm vi rộng theo thời gian. Có thể hiểu, điều chế thích nghi là san bằng trong thời gian thực giữa dung lượng kênh, mức công suất phát, tốc độ phát symbol, kích thước chòm sao, tỷ lệ mã và sự liên quan giữa các thông số này. Với những tiến bộ của truyền thông vô tuyến thì các thuật toán thích nghi ngày càng trở nên hấp dẫn do tính linh hoạt, hiệu quả trong sử dụng phổ tần và thông lượng lớn tạo nên chất lượng truyền dẫn cao. Các thuật toán thích nghi thay đổi giá trị của các tham số điều chế một cách động ứng với trạng thái tức thời của kênh. Khi kênh tốt các giá trị này sẽ thay đổi các tham số điều chế sao cho thu được thông lượng hệ thống lớn, khi kênh xấu, khi này các giá trị sẽ điều khiển các tham số điều chế sao cho giảm thông lượng hệ thống để đảm bảo chất lượng truyền dẫn.Trong điều chế thích nghi có hai tham số cần quan tâm: tham số kênh và tham số điều chế. Trong thuật toán điều chế thích nghi thì các tham số điều chế được xác định bởi các tham số chất lượng của kênh truyền. Trong thực tế các tham số của kênh thay đổi do đó tham số điều chế cũng thay đổi để thích nghi. Tồn tại nhiều thông số điều chế thích nghi như: mức điều chế, sơ đồ điều chế, SNR phát, số lượng các sóng mang, vị trí sóng mang, tỷ lệ mã, tỷ lệ trải phổ. Trong hệ truyền dẫn OFDM của các hệ thống truyền hình số hiện đại người ta đã áp dụng phương pháp thích nghi theo mức điều chế, theo tỷ lệ mã và theo sơ đồ điều chế. Ví dụ, trong DVB-S2 người ta đã sử dụng 4 phương thức điều chế: QPSK, 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, 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 mã hóa theo điều kiện chất lượng kênh truyền. Trong bài báo này ta sẽ đề xuất bổ sung thêm phương pháp thích nghi theo số lượng và vị trí các sóng mang con để tăng các phương án kết hợp cho bộ điều chế OFDM nhằm tận dụng tối đa hiệu quả của phân tập tần số trong kênh phađing chọn lọc tần số. Trước hết xét mô hình điều chế thích nghi AOFDM (Adaptive OFDM). 2. MÔ HÌNH AOFDM Mô hình AOFDM mô tả trên hình 1. Công thức toán học của tín hiệu sau bộ IFFT như sau: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 71        1 0 1 0 2/2 )()()( N k N k knTfiNni lmIFFTekXekXnX  (1) Trong đó: )(nX : tín hiệu phức trong miền thời gian rời rạc; )(kX : tín hiệu phức trong miền tần số rời rạc; n : chỉ số của mẫu trong miền thời gian; k : chỉ số tần số trong miền tần số; N : Tổng số các điểm lấy mẫu; lm IFFT IFFT NT f T  1 : chu kỳ của bộ IFFT; IFFTf : tần số của bộ IFFT; lmT : chu kỳ của mẫu Tùy theo chế độ điều chế đa sóng mang mà số sóng mang N sẽ khác nhau. Ví dụ nếu sử dụng hai chế độ 2K hoặc 8K thì theo thuật toán dùng cơ số 2: 2K = 211 = 2048 mẫu 8K = 213 = 8192 mẫu Như vậy, ở chế độ 2K ta có 2048 sóng mang con Ở chế độ 8K ta có 8192 sóng mang con Thông thường những sóng mang hữu ích được xếp xung quanh tần số trung tâm của băng tần cơ bản bằng 1/2 tần số lấy mẫu. Với băng tần VHF tần số lấy mẫu là 8MHz và UHF tần số lấy mẫu là 9,142 MHz. Các sóng mang hữu ích được chọn trong khoảng giữa của chuỗi FFT như nêu trong bảng 1. Bảng 1. Vị trí của sóng mang con. Chế độ FFT FFT FFT Mode 2K 0 đến 171 172( minK ) đến 1876( maxK ) 1877 đến 2047 Mode 8K 0 đến 687 688( minK ) đến 7504( maxK ) 7505 đến 8191 Như vậy, số sóng mang hữu ích với chế độ 2K là 1705 sóng mang con; Số sóng mang hữu ích với chế độ 8K là 6817 sóng mang con 3. THUẬT TOÁN THÍCH NGHI DỰA TRÊN CƠ CHẾ CHỌN LỌC SÓNG MANG CON Do tính chất chọn lọc của đáp ứng kênh trong miền tần số và miền thời gian nghĩa là pha đinh chọn lọc tần số và pha đinh chọn lọc thời gian hay nói cách khác đáp ứng kênh truyền vô tuyến không những thay đổi theo thời gian mà còn thay đổi theo tần số. Vì vậy đối với kênh chọn lọc tần số tồn tại những khoảng băng tần kênh có độ biến động là chấp Hình 1. Mô hình AOFDM. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. H. Toàn, B. N. Hồng, “Phương pháp thích nghi theo số lượng hệ truyền dẫn OFDM.” 72 nhận được và không chấp nhận được, vì vậy dựa trên tính chất chọn lọc tần số của kênh ta có thể xây dựng thuật toán thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang nhằm phát huy tối đa ưu điểm của phân tập tần số. Vùng tần số của đáp ứng kênh ít bị thăng giáng thì truyền dữ liệu trên các sóng mang con trên đó. Vùng tần số của đáp ứng kênh bị thăng giáng mạnh thì không truyền dữ liệu trên các sóng mang con trên đó hoặc truyền trên nhiều sóng mang con (phân tán lỗi) cải thiện BER (Bit Error Rate). Việc tăng, giảm số lượng các sóng mang con theo trạng thái kênh trên miền tần số cho phép cải thiện được cả hiệu năng BER và QoS (chất lượng dịch vụ), tức là đã thực hiện thích nghi theo số lượng sóng mang con. Trong hệ thống OFDM có nhiều yếu tố quyết định đến dung lượng kênh truyền dẫn. Nếu giả thiết rằng cấu hình các sóng mang con giống nhau, nghĩa là (điều chế, mã hóa, băng thông, công suất) như nhau. Lúc đó tốc độ bit tổng cộng của hệ thống OFDM xác định theo công thức: R∑ = (Số bit/sóng mang con/ký hiệu) x số sóng mang con [bps] (2) Độ dài ký hiệu Từ công thức (2) thấy rằng: khi dùng số lượng sóng mang con ít thì không hiệu quả về mặt thông lượng và có thể xảy ra trường hợp có nhiều sóng mang con bị lỗi quá ngưỡng cho phép, do đó dữ liệu được truyền trên một số ít sóng mang con còn lại. Kết quả làm giảm mạnh tốc độ bit truyền dẫn. Do vậy, để nâng cao hiệu năng của cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang thì số lượng sóng mang con cần phải đủ lớn (thông thường > 100) theo [3]. Vì chỉ hoạt động thích nghi trong miền tần số do đó đối với cơ chế thích nghi này sẽ giữ nguyên mức điều chế (M-QAM, M-PSK), song vẫn cải thiện được tốc độ truyền dẫn so với thuật toán thích nghi theo mức điều chế AQAM đơn thuần. Vì vậy để ngăn chặn lỗi thì phải tiến hành chọn lọc thích ứng các sóng mang con. Với điều kiện số lượng sóng mang con > 100, với truyền hình số chế độ 2K hoặc 8K thì điều kiện số lượng sóng mang con được sử dụng là 1705 hoặc 6817 là quá thỏa mãn. Vấn đề cơ bản của thuật toán thích nghi chọn lọc sóng mang là phải xác định được BER cho từng sóng mang con, sau đó so sánh với giá trị BERngưỡng để quyết định sẽ truyền hay không truyền dữ liệu trên sóng mang con đó. Nếu giá trị BER trên sóng mang con nào thấp hơn BERngưỡng thì phía phát sẽ tiến hành chèn ký hiệu hoa tiêu vào sóng mang con đó, phía thu sẽ tiến hành thu và tính BER trên các sóng mang được chèn hoa tiêu, nếu giá trị BER trên các sóng mang con này vẫn thấp hơn ngưỡng cho phép thì lại truyền dữ liệu bình thường trên các sóng mang con này. Do đó, việc chèn ký hiệu hoa tiêu lên các sóng mang con có tỷ lệ lỗi lớn sẽ giúp cho phía thu ước tính chính xác trạng thái kênh truyền dẫn. Quá trình thuật toán để tìm ra BER cho từng thành phần tần số sóng mang con rất phức tạp. Theo [2] công thức tính BER của sóng mang con thứ k xác định như sau:                   2 2 2log 1 14    kk Q M M BER (3) Trong đó: M – bậc điều chế 1 3   M  2 K - công suất tín hiệu trên sóng mang thứ k Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 73 2  - công suất tạp trên sóng mang thứ k Q - Ma trận tiền mã hóa Giá trị BERngưỡng : Do người dùng thiết lập tùy theo tính chất dịch vụ yêu cầu. Ví dụ đối với dịch vụ truyền số liệu thì BERngưỡng  0,01%. Từ các lập luận trên ta có mô hình thuật toán thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang cho hệ thống OFDM mô tả trên hình 2. Giả sử đáp ứng kênh (hàm truyền đạt) đã biết do khối ước lượng kênh, chế độ điều chế đa sóng mang của hệ OFDM chọn là 2K, tín hiệu OFDM trong miền tần số trong băng thông sẽ có dạng mô tả trên hình 3. Từ đồ thị hình 3 thấy rằng: có một số sóng mang con rơi vào vùng tần số có hàm truyền đạt H(f) thăng giáng mạnh (tức có BER > BERngưỡng). Ta thành lập một mảng một chiều có kích thước bằng số lượng sóng mang được sử dụng. Ở đây, trong chế độ 2K bắt đầu từ vị trí sóng mang ở chỉ số 172 cho đến chỉ số 1876. Công việc của khối quyết định là: Nếu BER của sóng mang con nào nằm trong mảng quyết định (QĐ(k)) nào lớn hơn BERngưỡng thì sóng mang con đó được gán giá trị “1”, ngược lại thì gán giá trị “0”. Giá trị “1” báo hiệu là không truyền dữ liệu trên sóng mang con này, giá trị “0” báo hiệu truyền dữ liệu trên sóng mang con này. Lược đồ thuật toán của khối quyết định mô tả trên hình 4. Hình 2. Mô hình thuật toán thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang cho hệ thống OFDM. Hình 3. Hàm truyền đạt kênh và các sóng mang con trong chế độ 2K trong băng thông kênh. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. H. Toàn, B. N. Hồng, “Phương pháp thích nghi theo số lượng hệ truyền dẫn OFDM.” 74 Hình 4. Lược đồ thuật toán hoạt động của khối quyết định. Khối điều khiển chèn: khối này lấy thông tin từ khối quyết định, nếu BER(k) > BERngưỡng, khi đó chỉ số k này trong mảng quyết định sẽ có giá trị bằng “1” và tiến hành chèn “0” lên sóng mang này, nếu ngược lại thì sẽ tiến hành truyền dữ liệu bình thường trên sóng mang này. Khối điều khiển chèn sẽ can thiệp thứ tự của ký hiệu phát trên mỗi sóng mang để đảm bảo sao cho nếu không sử dụng sóng mang thì sẽ chèn thêm ký hiệu “0”, và nếu sử dụng thì không chèn. Khối điều khiển giải chèn lấy thông tin chèn từ khối quyết định, dựa trên thông tin về các vị trí chèn tiến hành loại những ký hiệu chèn trên những sóng mang con được chèn và đưa những ký hiệu chèn này đến bộ ước tính kênh để tiến hành tìm đáp ứng kênh. 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1. Số liệu đầu vào Để đánh giá hiệu quả của kênh truyền OFDM khi sử dụng phương pháp thích nghi theo số lượng và vị trí sóng mang con, ta tiến hành mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab trong 2 trường hợp là không sử dụng phương pháp thích nghi và sử dụng phương pháp thích nghi, với cùng các số liệu đầu vào như sau: số sóng mang con: 120; kích thươc FFT: NFFT = 256; khoảng bảo vệ: Tg = 4; mức điều chế M=4; tần số lấy mẫu fs = 3 và giá trị BERngưỡng = 0.001. 4.2. Kết quả mô phỏng và bình luận Kết quả mô phỏng khi không sử dụng phương pháp thích nghi được thể hiện trên hình 5 và khi sử dụng phương pháp thích nghi theo số lượng và vị trí sóng mang con được thể hiện trên hình 6. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 75 Hình 5. Kết quả mô phỏng không sử dụng phương pháp thích nghi. Hình 6. Kết quả mô phỏng sử dụng phương pháp thích nghi theo số lượng và vị trí sóng mang con. Từ kết quả mô phỏng ta thấy với kênh truyền OFDM sử dụng phương pháp thích nghi theo số lượng và vị trí sóng mang con kết quả BER tổng luôn xấp xỉ “0” đối với 4-QAM, giá trị này thấp hơn nhiều so với khi không sử dụng phương pháp thích nghi. Vì với việc sử dụng phương pháp thích nghi thì tại những vị trí các sóng mang con có BER > BERngưỡng = 0.001 sẽ không được dùng để truyền dữ liệu, như vậy không những cải thiện được BER của hệ thống mà còn tiết kiệm được phổ tần, năng lượng và nâng cao được hiệu suất kênh truyền. 5. KẾT LUẬN Ưu điểm nổi bật của cơ chế thích nghi chọn lọc tần số sóng mang là tận dụng tối đa những khoảng băng tần ít thăng giáng của hàm truyền đạt của kênh và giảm thiểu truyền dữ liệu trên những sóng mang con nằm trong khoảng băng tần có thăng giáng mạnh của hàm truyền đạt của kênh, do vậy giảm được ảnh hưởng của phađinh chọn lọc tần số. Trong khi đó những thuật toán thích nghi khác như: M-QAM, M-PSK do xử lý như nhau đối với toàn bộ băng tần, nên không đối phó được với bất lợi của đáp ứng kênh trong miền tần số. Do vậy, thuật toán thích nghi này có thể ứng dụng cho truyền hình số, cùng với các Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. H. Toàn, B. N. Hồng, “Phương pháp thích nghi theo số lượng hệ truyền dẫn OFDM.” 76 thuật toán thích nghi khác, để tăng số các phương án kết hợp thích nghi đồng thời để tăng độ linh hoạt và cải thiện hiệu năng BER và thông lượng truyền. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Văn Đức, “Lý thuyết và ứng dụng của kỹ thuật OFDM”, NXB Khoa học và kỹ thuật (2006). [2]. Đề tài nghiên cứu khoa học “Nghiên cứu điều chế thích ứng cho máy thu phát thông minh trong thông tin di động“, Nguyễn Phạm Anh Dũng và các cộng tác viên, Hà Nội 2004. [3]. Eric Philip Lawrey, “Adaptive Techniques for multiuser OFDM”, for the degree of Doctor of Philosophy in Electrical and Computer Engineering, (2001). [4]. Prateek Bansal and Andrew Brezinski, “Adaptive loading in MIMO / OFDM systems,” Standford University (2001). ABSTRACT ADAPTIVE MODULATION METHOD ACCODING TO QUANTITY AND LOCATION OF SUBCARRIERS IN OFDM TRANSMISSION SYSTEM The wireless channel changes randomly according to the time, this limits performance of the transmission line and capacity of wireless communication networks. And one of the methods to solve this problem is adaptive modulation. Today, in OFDM transmission system of new DVB (Digital Video Broadcasting), people applied adaptive modulation according to modulation level, coding rate and modulation scheme. This paper proposes an adaptive modulation method: adaptive method according to quantity and location of subcarriers in OFDM transmission system to increase associate plans in OFDM modulator in order to take full performance of frequency diversity in frequency – selective fading channels. Keywords: Adaptive Modulation, OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing, AOFDM – Adaptive OFDM, DVB-T – Digital Video Broadcasting – Terrestrial. Nhận bài ngày 24 tháng 9 năm 2015 Hoàn thiện ngày 03 tháng 11 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 12 năm 2015 Địa chỉ: 1 Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội; 2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên; *Email: toanth84@gmail.com