MỞ ĐẦU Đề tài này đề xuất mô ̣t giải pháp cải tiế n liên quan đ ến bộ ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM theo tiêu chuẩn của hệ thống WiMAX di động. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) là một công nghệ 4G được phát triển theo các tiêu chuẩn như IEEE 802.16j vào năm 2009 và mới nhất là IEEE 802. Các tài liệu về các chuẩn này có thể tìm hiểu tại http://www.org/ hoặc một số tài liệu tham khảo như [1], [2]. Trong hệ thống thông tin di động, một trong những vấn đề rất quan trọng ở bộ thu, đó là bộ ước lượng và cân bằng kênh truyền.
Mặc dù có rất nhiều bài báo liên quan hướng nghiên cứu này. Tuy nhiên, giải thuật ước lượng kênh truyề n được triển khai phổ biến hiện này vẫn là giải thuật Least Square được triển khai ngay cả các thiết bị theo tiêu chuẩn của 4G của các hãng Frecale Semiconduct [3], hãng Altera Corporation [4]. Còn trong tiêu chuẩn Tiêu chuẩ n WiMAX di đ ộngthì giải pháp ước lươ ̣ng mô ̣t hê ̣ thố ng mở phu ̣ thuô ̣c vào nhà sản xuấ t thiế t bi ̣ .Vì vậy với cùng với sự phát triển của công nghệ phần cứng hiện nay, nhiều giải pháp về ước lượng và cân bằng kênh truyền đã được nghiên cứu và triển khai nhiều và mạnh mẽ hơn để hy vọng có thể triển khai trong các thế hệ mạng kế tiếp. Chuyên đề này góp ph ần vào việc phát triển và nghiên cứu theo hướng này.
Các nghiên cứu về ước lượng kênh truyền có thể chia làm 3 loại: - Ước lượng kênh truyền mù nghĩa là bộ thu hoàn toàn không biết thông tin về tín hiệu phát [5], [6]. - Ước lượng kênh truyền bán mù nghĩa là có sự kết hợp giữa ước lượng kênh dựa vào chuỗi huấn luyện và ước lượng kênh mù[7], [8], [9]. - Ước lượng kênh truyền dựa vào chuỗi huấn luyện (hay còn gọi là tín hiệu pilot). Trong hê ̣ thố ng thông tin di đô ̣ng , viê ̣c phải đáp ứng thời gian thực với môi trường vô tuyế n thay đổ i thường xuyên khiế n viê ̣c ước lươ ̣ng mù và bán mù không khả thi mà phải sử dụng pilot trong quá trình ước lượng kênh t ruyề n.
Vì vậy, các giải thuật ước 12 Luan van lươ ̣ng theo tiêu chuẩ n WiMAX di đô ̣ng đề u sử du ̣ng pilot trong quá trình ước lươ ̣ng. Đây cũng chiń h là hướng nghiên cứu của chuyên đề. Mô ̣t vấ n đề trong ước lươ ̣ng kênh truyề n t rong hê ̣ thố ng OFDM đó là sự ảnh hưởng lớn của quá triǹ h đồ ng bô ̣ không hoàn hảo , ảnh hưởng của độ dịch tần Doppler và fading gây sai số lớn trong quá trình ước lượng kênh truyền. Thực tế , trong tiêu chuẩ n WiMAX di đô ̣ng hay trong các tiêu chuẩ n 4G khác , viê ̣c đồ ng bô ̣ đươ ̣c triể n khai ta ̣i đầ u mỗi khung truyề n bao gồ m các kí tự pilot trong cấ u trúc của Preamble [10], nghĩa là trong quá triǹ h truyề n khung sau khi truyề n preamble thì các pilot xen kẽ các carrier chứa thông tin không câ ̣p nhâ ̣t quá trin ̀ h đồ ng bô ̣ mà chỉ câ ̣p nhâ ̣t đáp ứng kênh truyề n thay đổ i.
Điề u này dẫn đế n nế u có sự sai lê ̣ch tầ n số trong quá trình giữa khung truyề n thì sẽ ảnh hưởng đế n kế t quả ước lươ ̣ng kênh truyề n cũng như chấ t lươ ̣ng hê ̣ thố ng bi ̣giảm đáng kể do gây mấ t trực giao giữa các sóng mang. Ngoài ra các giải thuâ ̣t ước lươ ̣ng đ ơn giản vẫn còn đươ ̣c triể n khai (Least Square ) cho thấ y vẫn chưa thực sự có mô ̣t giải pháp khả thi cho hê ̣ thố ng ước lươ ̣ng kênh truyề n cho các tiêu chuẩ n di đô ̣ng mới. Do đó viê ̣c ước lươ ̣ng đồ ng thời quá trình ước lươ ̣ng kênh tr uyề n và ước lượng quá trình đồng bộ là điều cần thiết để hạn chế các sai số. Quá trình ước lượng kênh truyền sử du ̣ng các pilot xen kẽ với thông tin đươ ̣c chứng mình ưu điểm hơn và được sử dụng trong các tiêu chuẩn 4G [11], [2].
luôn đươ ̣c tiế n hành tại các vị trí pilot hay nói cách khác là xác định đáp ứng kênh truyền tại các vị trí pilot, sau đó dùng các phương pháp nội suy để suy ra đáp ứng kênh truyền cần tính tạ i các vị trí chưa dữ liệu [12]. Tuy nhiên với giải pháp này luôn gă ̣p sai số do lỗi nô ̣i suy lớn trong quá trình ước lượng , mô ̣t số giải pháp cải thiê ̣n trong vấ n đề này có thể kể đến là cấu trúc pilot hai chiều và kết hợp nội suy hai chiều đã được triển khai trong các hãng sản xuấ t thiế t bi ̣. Dù vậy, nô ̣i suy mô ̣t cách đô ̣c lâ ̣ p vẫn là mô ̣t nhươ ̣c điể m gây sai số trong quá triǹ h ước lươ ̣ng kênh truyề n ảnh hưởng chấ t lươ ̣ng hê ̣ thố ng. Mô ̣t số các giải thuâ ̣t cân bằ ng thić h nghi cho quá trin ̀ h ước lươ ̣ng kênh truyề n đươ ̣c nghiên cứu để cải thiê ̣n chấ t lươ ̣ ng hê ̣ thố ng của các giải thuâ ̣t truyề n thố ng.
Có thể kể đến các giải thuật thích nghi dựa trên nền tảng giải thuật Least Square là LMS (Least Mean Square ) và RLS (Recursive Least Square ). LMS và RLS là các b ộ cân bằng thích nghi truyền thống được sử dụng và ứng dụng vào hệ thống ước lượng kênh truyền [13]. Giá trị đầu tiên được xác định trực tiếp thông qua giải thuật LS, và những 13 Luan van giá trị tiếp theo được tính toán dựa vào sự ước lượng trước đó và ngõ ra hiện tại. Nhiề u giải thuật thích nghi cho kết quả tốt hơn dựa vào mô hình của bộ lọc Kalman và Kalman mở rô ̣ng có thể kể đế n là [14], [15].Tấ t cả các giải thuâ ̣t thích nghi đề u đươ ̣c tính toán dựa trên ngõ ra trước đó thành ngõ vào hiện tại hay tính toán ước lượng kênh truyề n dựa vào viê ̣c tiń h toán của các kí tự OFDM trước đó.
Tuy nhiên, tấ t cả các giải thuâ ̣t thích nghi đề u gă ̣p nhươ ̣c điể m khi điề u kiê ̣n kênh truyề n thay đổ i nhanh , nghĩa là khi đáp ứng kênh truyền tại các thời điểm kế tiếp có sự thay đổi lớn và đột ngột so với thời điể m hiê ̣n ta ̣i t hì các giải thuật thích nghi đều cho kết quả sai số lớn dẫn đến ảnh hưởng chất lượng hệ thống. Đó có thể là môi trường thông tin di đô ̣ng khi có ảnh hưởng của fading đa đường và thuê bao di chuyể n với tố c đô ̣ cao. Đây là mô ̣t ha ̣n chế của các giải thuật thích nghi so với các giải thuật không thích nghi chỉ dựa trên thời điể m hiê ̣n ta ̣i. Quá trình ước lượng kênh truyền trong các nghiên cứu hiện nay cũng như trong các nhà sản xuất thiết bị bên t rên đề u đươ ̣c dựa vào quá trin ̀ h tin ́ h toán ước lươ ̣ng đáp ứng kênh truyề n miề n tầ n số và sử du ̣ng bô ̣ cân bằ ng miề n tầ n số mà phổ biế n là bô ̣ cân bằ ng ZF (Zero Forcing).
Nhiề u nghiên cứu dựa trên quá trin ̀ h tin ́ h toán đáp ứng kênh truyề n miề n thời gian và bô ̣ cân bằ ng miề n thời gian [16], bằ ng viê ̣c tính toán đáp ứng kênh truyề n miề n thời gian có nhiề u ưu điể m như dễ tin ́ h toán viê ̣c triê ̣t tiêu nhiễu , tuy nhiên sự phức ta ̣p của quá triǹ h tin ́ h toán đã ha ̣n chế sự triể n khai thực tế theo hướng nghiên cứu này [17], [18]. Để ha ̣n chế nhiễu ISI , hê ̣ thố ng OFDM sử du ̣ng CP (Cycle prefix ) hay GI (Guard Interval) đủ lớn ,trong tiêu chuẩ n của WiMAX di đô ̣ ng, đô ̣ dài của GI là cố đinh ̣ và thông thường bằ ng 25% băng thông [19]. Viê ̣c này có thể làm suy giảm 1 dB công suấ t tín hiê ̣u trên nhiễu SNR. Tuy nhiên việc chèn thêm khoảng bảo vệ quá lớn có thể gây ra giảm hiệu suất của hệ thống ( giảm hiệu quả sử dụng phổ, tiêu tốn tài nguyên mạng và công suất hệ thống).
Vì trong trường hợp kênh truyền tốt hoặc thiết bị chịu đựng độ trải trễ nhỏ hơn mà vẫn sử dụng khoảng bảo vệ lớn là không cần thiết. Ngược lại nếu trong hệ thống thiết lập khoảng bảo vệ GI nhỏ thì đối với trường hợp kênh truyền vô tuyến không tốt, có độ trải trễ lớn hơn khoảng GI sẽ gây ra hiện tượng nhiễu ISI. Mô ̣t số nghiên cứu đề xuấ t giải thuâ ̣t tin ́ h toán thić h nghi đô ̣ dài GI dựa vào tiń h toán độ trễ trãi hiệu dụng RMS (Root Mean Square ) thông qua quá trình ước lươ ̣ng 14 Luan van kênh truyề n [20], [21]. Tuy nhiên các hướng nghiên cứu này chỉ dựa trên quá trình ước lươ ̣ng kênh truyề n đơn giản và phố biế n như giải thuâ ̣t Least Square trong khi viê ̣c tin ́ h toán khoảng bảo vệ lại dựa chủ yếu vào quá trình này , ngoài ra việc cập nhật thường xuyên cho phiá phát để phiá phát thay đổ i khoảng bảo vệ khi truyền cũng không thật sự cầ n thiế t khi điề u kiê ̣n kênh truyề n vẫn giữ nguyên (như thuê bao di chuyể n vẫn giữ nguyên tố c đô ̣ di chuyể n ) dẫn đế n tính toán đô ̣ trễ traĩ không thay đổ i nhiề u , vì vậy viê ̣c tin ́ h toán thường xuyên để câ ̣p nhâ ̣t khoảng bảo vê ̣ thić h nghi là không cầ n thiế t mà có thể chỉ cần tính toán một lần cho mỗi khi điều kiện kênh truyền thay đổi.
Xét từ những yêu cầu trên , chuyên đề này đề xuấ t giải pháp có thể khắ c phu ̣c và cải thiê ̣n các nhươ ̣c điể m nêu ra ở các phầ n trên .