Mô phỏng truyền dẫn Ofdm thích ứng trong thông tin vô tuyến

mà vẫn đảm bảo BER yêu cầu do đó sẽ lãng phí tốc độ truyền dẫn, do đó chưa tối ưu thông lượng (tốc độ truyền). Vì vậy, có thể khẳng định cơ chế chọn lọc thích ứng sóng mang sẽ giải quyết triệt để những nhược điểm này. Nội dung của thuật toán chọn lọc thích ứng sóng mang được trình bầy ở mô hình giải thuật dưới đây: Khối tính BER: So sánh sự sai khác giữa ký hiệu phát và thu, tính số lượng lỗi. Sau đó khối tính BER sẽ gửi kết quả tính toán đến khối quyết định chèn. BER ngưỡng: Do người dùng thiết lập tuỳ theo tính chất dịch vụ yêu cầu, đối với thoại thông thường , trong khi đó đối với các dịch vụ số liệu thì yêu cầu . Khối quyết định chèn: Dựa trên giá trị BER ngưỡng thiết lập cho từng dịch vụ, khối quyết định sẽ tính chính xác giá trị BER trung bình cho từng thành phần sóng mang để đảm bảo được giá trị BER ngưỡng, giá trị BER trung bình này gọi là giá trị BER trung bình ngưỡng (). Đầu ra của bộ quyết định là một mảng một chiều (mảng QĐ) có kích thước bằng số lượng sóng mang. Công việc tiếp theo của khối quyết định là so sánh các giá trị BER của từng thành phần sóng mang do bộ tính BER đưa đến với giá trị , nếu giá trị BER của thành phần sóng mang nào > thì phần tử trong mảng QĐ tương ứng với thành phần sóng mang đó sẽ được gán bằng ’1’. Nếu ngược lại sẽ được gán bằng ’0’. Giá trị ’1’ có nghĩa là không truyền dữ liệu trên sóng mang này, giá trị ’0’ có nghĩa là vẫn sử dụng sóng mang này. Phần lập trình cho khối tính BER, BER ngưỡng và khối quyết định được thực hiện thông qua hàm ’ dem_loi’ được viết bằng công cụ MatLab. Lưu đồ thuật toán cho khối quyết định được mô tả như sau: Khối điều khiển chèn: Khối này lấy thông tin chèn từ khối quyết định, nếu sóng mang nào có BER khi đó phần tử trong mảng QĐ có chỉ số bằng số thứ tự của sóng mang này sẽ có giá trị là ’1’ và ta phải 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. Quá trình sắp xếp này rất phức tạp, tuy nhiên nếu hiểu kỹ về cấu trúc của ký hiệu OFDM, và cấu trúc ký hiệu đem điều chế sóng mang con thì công việc sẽ dễ dàng hơn. Sau đây là lưu đồ thuật toán mô tả hoạt động của khối điều khiển chèn. Phần lập trình cho khối điều khiển chèn được thực hiện thông qua hàm 'chen_song_mang (sig_in)' được viết bằng công cụ MatLab. Khối điều khiển giải chèn: Hoạt động của khối điều khiển giải chèn hoàn toàn ngược lại với khối điều khiển chèn. Khối này lấy thông tin chèn từ khối quyết định, dựa trên thông tin về các vị trí chèn khối này sẽ tiến hành giải chèn tức là loại bỏ 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 ra đáp ứng kênh. Do tính chất hoạt động tương tự như khối điều khiển chèn cho nên lưu đồ thuật toán cũng tương tự như khối điều khiển chèn, cho nên sẽ không được đề cập ở đây. Phần lập trình cho khối điều khiển giải chèn được thực hiện thông qua hàm ‘giai_chen_song_mang (sig_in)’ được viết bằng công cụ MatLab. 5.6 Kết luận Chương này đã giải thích thế nào là điều chế thích ứng, phân tích nguyên lý thích ứng chung cho các hệ thống truyền dẫn, phân tích các bước thực hiện cho các phương pháp thích ứng. Đồng thời đề xuất các phương án thích ứng: Thích ứng theo SNR phát, thích ứng theo mức điều chế, thích ứng theo cơ chế chọn lóc sóng mang. Phân tích ưu nhược điểm và tính khả thi của từng phương án thích ứng, cuối cùng đồ án chứng minh tính hiệu quả và tính khả thi của ba phương án thích ứng: thích ứng theo mức điều chế, thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang và phương án kết hợp hai phương án thích ứng này. Chương này cũng đã đề xuất mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM sử dụng thuật toán thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang, đồng thời phân tích lưu đồ thuật toán hoạt động của các module thích ứng trong hệ thống. Chương 6 Chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng 6.1 Giới thiệu Các chương trình mô phỏng được viết cho các hàm đặc trưng của quá trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng. Muốn vậy, cần thuật toán hoá các hàm đặc trưng trên cơ sở đó chọn ngôn ngữ lập trình phù hợp để viết chương trình mô phỏng. Đồ án chọn ngôn ngữ lập trình Matlab để thực hiện viết chương trình vì lý do sau: Matlab là ngôn ngữ lập trình bậc cao, ngôn ngữ kỹ thuật, ngôn ngữ chuyên gia có thư viện toán cực mạnh, giao diện đồ hoạ phong phú, khả năng tương thích các ngôn ngữ khác (cho phép nhúng các chương trình khác C, C++,... vào trong Matlab), cho phép tạo giao diện người dùng tiện lợi. Đặc biệt cho phép ứng dụng kết nối điều khiển thiết bị phần cứng bằng lập trình. Matlab có ưu việt nổi trội là khả năng mô phỏng hệ thống động, cho phép thể hiện tín hiệu và hệ thống trong nhiều miền xét (miền thời gian, miền tần số, miền Z.v.v..). Có lẽ vì thế mà hầu hết các trường đại học, các viện lớn đều chọn Matlab để phục công tác đào tạo, nghiên cứu phát triển, đặc biệt thực thi hoá kết quả công trình nghiên cứu vào thực tế. Với nội dung, tính chất đặc thù cũng như phạm vi xét của của đồ án, đồ tập trung khai thư viện toán của Matlab hay nói cách khác sử dụng các hàm cơ bản có trong thư viện, khai thác tối đa khả năng phân lớp hàm của Matlab để viết chương trình mô phỏng. Theo đó chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng được viết bằng ngôn ngữ lập trình Matlab, dưới dạng các file.m (mỗi module hệ thống là một file). Chương trình cho phép người sử dụng dựa vào chương trình Code để nghiên cứu thuật giải cũng như mở rộng, bổ xung tính năng đặc biệt lấy dữ liệu kết quả tính toán từ các công thức theo ý muốn phù hợp với người nghiên cứu, ngoài ra chương trình cũng xây dựng giao diện tiện ích thân thiện khi này người dùng chỉ cần thực hiện các thao tác đơn giản trên giao diện tiện ích. Giao diện được tổ chức thành 4 cấp: giao diện cấp 1, giao diện con cấp 2, giao diện con cấp 3 và giao diện cấp 4. Người sử dụng có thể từ giao diện chính chọn đối tượng cần mô phỏng, vào các giao diện con để nghiên cứu chi tiết nội dung quan tâm, từ giao diện con dễ dàng trở lại giao diện chính để chọn đối tượng nghiên cứu khác. Để thiết kế hệ thống bằng Matlab người lập trình nếu chỉ có các kiến thức về máy tính là chưa đủ mà cốt lõi là phải có kiến thức của một chuyên gia trong lĩnh vực mà họ định viết chương trình mô phỏng. 6.2 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng 6.2.1 Mô hình mô phỏng Mô hình mô phỏng hệ thống OFDM được cho ở hình 6.1. Dữ liệu của người dùng có thể là file text hoặc file ảnh thuộc các định dạng: JPEG, BITMAP, …Dữ liệu đọc được từ file ảnh sẽ có dạng một vector 3 chiều, với các phần tử có dạng thập phân 1-256. Nhưng không thể truyền trực tiếp một vector 3 chiều được cho nên phải tiến hành chuyển đổi vector 3 chiều thành vector 1 chiều, sau đó để truyền qua hệ thống OFDM cần tiến hành chuyển đổi dữ liệu thập phân sang ‘từ’ nhị phân 8 bit. Bộ tính lỗi sẽ so sánh sự khác nhau giữa dữ liệu phát và thu và tính số lượng lỗi, sau đó hiển thị lỗi để tính hiệu năng của hệ thống. Dữ liệu nhị phân sau đó được đưa lên điều chế M-QAM, tiếp theo dữ liệu sau điều chế M-QAM được đưa đến bộ điều chế OFDM. Dữ liệu sau điều chế OFDM được phát qua kênh vô tuyến đến máy thu. Máy thu sẽ thực hiện ngược các công việc với phía phát. Dữ liệu cuối cùng có dạng vector 3 chiều với các phần tử có dạng thập phân sẽ được khôi phục dưới dạng file ảnh và hiển thị để so sánh với ảnh ban đầu. Hoạt động của khối tính BER, khối quyết định, khối điều khiển chèn, khối điều khiển giải chèn hoàn toàn tương tự như các khối này ở mô hình cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang được trình bầy trong chương 5. Trong phương pháp thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang, nếu ngưỡng BER thiết lập ban đầu cho các thành phần sóng mang là đủ nhỏ thì ảnh truyền qua hệ thống AOFDM sẽ có chất lượng cao, ngược lại nếu ngưỡng BER được thiết lập lớn thì chất lượng ảnh sẽ tồi hơn. Tuy nhiên nếu ngưỡng BER được thiết lập quá nhỏ sẽ dẫn đến tốc độ truyền dẫn sẽ thấp khi điều kiện kênh quá tồi. Để tăng tốc độ truyền dẫn trong điều kiện kênh truyền như vậy hoặc ta phải tăng ngưỡng BER hoặc giảm mức điều chế. Hình 6.1 chỉ trình bầy mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng dùng cơ chế chọn lọc sóng mang. Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng dùng cơ chế chuyển mức điều chế sẽ thay vai trò của khối điều khiển chèn và giải chèn sóng mang con bằng khối điều khiển chuyển mức điều chế và sẽ không còn khối BER ngưỡng. Khối quyết định sẽ so sánh giá trị BER hiện thời của hệ thống nhận từ bộ tính BER với giá trị BER ngưỡng chuyển mức, và sẽ quyết định mức điều chế hợp lý ứng với giá trị BER hiện thời này. Thông tin từ khối quyết định sẽ đưa đến khối điều khiển chuyển mức điều chế, khối này sẽ thực hiện công việc chuyển mức. 6.2.2. Thiết lập các thông số mô hình mô phỏng Thiết lập tính tương thích các thông số cho tín hiệu OFDM Trong phần trên ta đã nghiên cứu về cấu trúc một tín hiệu OFDM, tuy nhiên để mô phỏng một tín hiệu OFDM sẽ phức tạp hơn rất nhiều. Hai nhiệm vụ chính cần thực hiện trong quá trình mô phỏng một tín hiệu OFDM là: Tương thích giữa tốc độ dữ liệu người dùng và số lượng sóng mang con sử dụng để truyền dữ liệu. Tương thích giữa số lượng sóng mang con sử dụng truyền dữ liệu và kích thước FFT. Ngoài ra, các công việc khác như: chuyển tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian, chèn khoảng bảo vệ, lọc tín hiệu OFDM dùng bộ lọc băng thông với hình dạng bộ lọc là cửa sổ Kaiser. Để hiểu rõ quá trình mô phỏng tín hiệu OFDM, ta hãy xét một ví dụ mô phỏng một tín hiệu OFDM cụ thể với thời gian mô phỏng 1 giây. Giả sử các tham số hệ thống được mô tả trong bảng dưới đây. Bảng 6.1 Tham số hệ thống dùng cho mô phỏng tín hiệu OFDM Tham số hệ thống Giá trị Tốc độ dữ liệu đầu vào: Rb 12 Mbps Số lượng sóng mang: Nsub 90 Kích thước FFT: NFFT 256 Mức điều chế sóng mang: M-QAM 16-QAM Thời gian mô phỏng: Tsim 1 s Chu kỳ cơ bản: T 1/ Rb = 0,083 µs Thời gian ký hiệu hữu ích: TFFT Nsub×log2(M) ×T = 30 µs Thời gian khoảng bảo vệ: TG 1/4 TFFT = 7,5 µs Thời gian ký hiệu OFDM: Tsym TFFT + TG = 37,5 µs Vì tốc độ dữ liệu là 12 Mbps, nên trong khoảng thời gian 1 giây mô phỏng sẽ có truyền. Nhưng do phương pháp điều chế sóng mang con là 16-QAM, do đó số lượng ký hiệu 16-QAM sẽ là: ký hiệu. Quá trình tương thích giữa tốc độ dữ liệu người dùng và số lượng sóng mang con Mỗi sóng mang con trong một ký hiệu OFDM sẽ mang một ký hiệu dữ liệu. Khi số lượng ký hiệu không bằng bội số nguyên lần số lượng sóng mang con, để đảm bảo mỗi sóng mang con đều có dữ liệu truyền ta phải tiến hành chèn thêm các ký hiệu ‘0’. Mà mỗi ký hiệu OFDM sẽ chứa toàn bộ chu kỳ của các sóng mang con, do đó một ký hiệu OFDM sẽ chứa toàn bộ dữ liệu truyền trên các sóng mang con. Trong trường hợp này mỗi ký hiệu OFDM sẽ chứa dữ liệu có trong 90 sóng mang con. Vì có điều này nên: số lượng ký hiệu OFDM = , Trong đó: , với [x] là phần nguyên của x. Số lượng ký hiệu phải chèn thêm là: 90 - phần dư. Hình 6.2 sẽ minh hoạ quá trình này: Hình 6.2 Tương thích giữa tốc độ dữ liệu người dùng và số sóng mang Sau khi thực hiện tương thích giữa tốc độ dữ liệu đầu vào và số sóng mang sử dụng truyền dữ liệu, cần tiến hành quá trình tương thích tiếp theo giữa kích thước FFT và số sóng mang. Quá trình tương thích giữa kích thước FFT và số sóng mang con Một ký hiệu FFT được tạo nên từ biến đổi IFFT các mẫu tần số. Mẫu tần số là mẫu thu được do quá trình lấy mẫu các tần số sóng mang con. Do đó trong khoảng thời gian biến đổi IFFT sẽ chứa toàn bộ chu kỳ của các sóng mang con. Trong biến đổi Fourier do khoảng tần số lấy từ , nhưng đối với phương pháp FFT thì khoảng tần số bị giới hạn do vậy, sau biến đổi FFT sẽ chịu hiệu ứng biên, hiệu ứng biên làm sai lệch các giá trị tín hiệu ứng với các tần số ngoài rìa. Vì thế để giảm hiệu ứng biên ta phải tăng kích thước FFT so với số sóng mang, muốn vậy: Kích thước FFT/2 > số sóng mang con Nhưng cũng vì thế mà số lượng các mẫu tần số tại đầu vào FFT bị thiếu, lượng thiếu = Kích thước FFT/2 - số sóng mang con. cho nên ta phải tiến hành chèn thêm các tần số ‘0’ trước khi biến đổi IFFT. Theo bảng tham số dùng mô phỏng ta có: Kích thước FFT/2 = 128, mà số sóng mang = 90. Do đó cần chèn thêm 128-90 = 38 sóng mang ‘0’. Cho nên số lượng sóng mang thực tế phải dùng cho mỗi ký hiệu OFDM sẽ là 90 + 38 = 128, tuy nhiên 38 sóng mang chèn thêm sẽ không mang dữ liệu người dùng và chúng được đặt là ‘0’. Hình 6.3 sẽ minh hoạ quá trình này: Do đó số lượng ký hiệu ‘0’ phải chèn thêm là: ký hiệu. Ta thấy nếu chọn kích thước FFT quá lớn so với 2 lần số sóng mang thì sẽ phải chèn rất nhiều ký hiệu không mang thông tin. Điều này sẽ làm giảm hiệu quả truyền dẫn. Để tạo dạng phổ thực cho tín hiệu OFDM, thì phần còn lại của kích thước FFT (có chiều dài FFT/2 là phần có các mẫu tần số có giá trị cao hơn), sẽ được lấp đầy bằng cách lấy liên hợp phức phần đầu của kích thước FFT (có chiều dài FFT/2 gồm các mẫu tần số có giá trị thấp). Quá trình này được mô tả bằng hình 6.4 dưới đây: Sau khi sắp xếp các mẫu tần số trong ký hiệu OFDM, sẽ thực hiện biến đổi IFFT lên ký hiệu OFDM trong miền tần số. Quá trình này sẽ chuyển tín hiệu OFDM từ miền tần số sang miền thời gian. Bước tiếp theo trong công đoạn mô phỏng tín hiệu OFDM là chèn khoảng bảo vệ, quá trình này được thực hiện cho từng ký hiệu OFDM (xem lại phần 3.5). Cuối cùng ta sẽ được một tín hiệu OFDM có dạng: Hình 6.5 Mô phỏng tín hiệu OFDM trong miền thời gian, [sim_ofdm_signal.m] Thiết lập các thông số khởi tạo cho hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng Trước tiên để hiểu nguyên lý hoạt động của chương trình mô phỏng ta hãy xét các tham số vào ra của hệ thống. Bảng 6.2 Thông số mô phỏng hệ thống OFDM thích ứng Tham số Giá trị Tốc độ dữ liệu: Rb 2 Mbps Mức điều chế sóng mang M-QAM M = 2, 4, 16, 64 Tần số lấy mẫu: fs fs Số lượng sóng mang: Nsub 52 - 1024 Kích thước FFT: NFFT NFFT Chu kỳ cơ bản: T 1/ Rb = 0,5 µs Thời gian ký hiệu hữu ích: TFFT TFFT = Nsub ×log2(M) ×T Khoảng thời gian bảo vệ: TG TG Chiều dài ký hiệu OFDM : Tsym = TFFT + TG Thời gian mô phỏng: Tsim Tsim = 0,064 s Cửa sổ Kaiser, β = 10 Mô hình kênh Pha đinh Rayleigh Khoảng thời gian bảo vệ: , n = 1/2, 1/4, 1/8, 1/64 ...., Tần số lấy mẫu: , trong đó Tsym = TFFT + TG, M là số trạng thái điều chế QAM (M = 2 ứng với BPSK), vì các thông số có sự liên quan đến nhau do đó chỉ cần khai báo các thông số: Rb, M, Nsubcarr, NFFT, TG. Từ kích thước file ảnh hoặc file text ta xác định thời gian mô phỏng: Tsim = số lượng bit truyền/ Rb. Trong chương trình mô phỏng, các tham số khởi tạo hệ thống được tập trung vào trong một bảng, giá trị của các tham số được thiết lập khi khởi tạo và có thể thay đổi trong quá trình thực hiện chương trình mô phỏng nếu chọn chức năng điều chế thích ứng. Tất nhiên các tham số sẽ giữ nguyên giá trị như khi khởi tạo nếu không chọn chức năng điều chế thích ứng. Giao diện tham số khởi tạo hệ thống được mở ra có cấu trúc như sau. Để hiểu hoạt động của chương trình mô phỏng AOFDM trước tiên cần phải hiểu rõ các tham số khởi tạo hệ thống và ảnh hưởng của nó đến hoạt động của hệ thống. Kích thước FFT: Biểu thị bằng nhãn ‘Kích thước FFT’, tham số này chính là số điểm FFT dùng trong một ký hiệu OFDM hay chính là độ dài ký hiệu OFDM. Để đảm bảo phổ OFDM là thực thì kích thước FFT > 2 lần số lượng sóng mang (trong mục 3.3.2.4). Kích thước FFT nếu chọn quá lớn sẽ lãng phí băng tần nhưng bù lại sẽ phân năng lượng tín hiệu đều trên các sóng mang, điều này có tác dụng phân tán lỗi. Tuy nhiên nếu kích thước FFT chọn quá nhỏ thì mật độ năng lượng trên mỗi sóng mang con sẽ lớn và nếu bị lỗi thì sẽ gây lỗi cụm. Vì vậy nên chọn giá trị tham số: 2:1< kích thước FFT: số sóng mang 5:1 (6.1) Cụ thể đồ án thiết lập là 256. Số lượng sóng mang: hiển thị bằng nhãn ‘Số sóng mang’, là số lượng sóng mang dùng để truyền dữ liệu. Cần phải phân biệt giữa dữ liệu và dữ liệu người dùng, dùng thuật ngữ ‘dữ liệu người dùng’ có nghĩa là dữ liệu đi đến bộ điều chế AOFDM, còn ‘dữ liệu’ là dữ liệu người dùng và phần độn thêm (để thích ứng với kênh truyền), thường phần độn thêm này là các ký hiệu ‘0’. Tất nhiên số lượng sóng mang cũng phải thoả mãn phương trình (6.1).Số lượng sóng mang càng lớn, thì trễ điều chế càng cao song được lợi về tính phân tập, do sự phân tán lỗi đều trên băng tần của kênh. Mặt khác vì cơ chế thích ứng mà đồ án sử dụng là chọn lọc sóng mang tức là lựa chọn các sóng mang có SNR cao (hay BER thấp) để truyền dữ liệu do đó số lượng sóng mang lớn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng vì khi đó cơ chế chọn lọc sẽ hoạt động hiệu quả hơn, sẽ lựa chọn chính xác các vùng tần số tương đối ổn định trên kênh. Tuy nhiên thường chọn số lượng sóng mang vì tính chất mô phỏng chạy trên phần mềm. Do đó tốc độ xử lý không cao như tốc độ xử lý phần cứng trong thực tế. Trong đồ án số lượng sóng mang sử dụng là 100. Khoảng thời gian bảo vệ: Hãy tưởng tượng mỗi ký hiệu đều có một khoảng bảo vệ được gắn trước mỗi ký hiệu và khoảng bảo vệ này được chọn sao cho lớn hơn thời gian trễ cực đại của kênh, thì khi đó các ký hiệu thu trước và sau sẽ không bị chồng lấn lên nhau mà chỉ chồng lấn lên các khoảng bảo vệ. Do đó năng lượng mỗi ký hiệu sẽ không bị phân tán trên các ký hiệu khác, tức là không có hiện tượng ISI. Vì vậy khoảng bảo vệ trong ký hiệu OFDM có ý nghĩa đặc biệt quan trọng nó giúp tăng chiều dài ký hiệu, chống pha đinh lựa chọn tần số (xem chương 3), đặc biệt chống lại hiện tượng ISI gây thu sai tín hiệu. Theo chuẩn DAB thì khoảng bảo vệ được chọn = 1/4 kích thước FFT và khoảng bảo vệ được gắn phía trước ký hiệu. Tuy nhiên khoảng bảo vệ cũng được chọn lựa theo bất kỳ tỷ lệ nào như: 1, 1/2, 1/4, 1/8, …. Tuỳ theo kích thước FFT là lớn hay nhỏ và giá trị trải trễ cực đại của kênh. Đồ án chọn giá trị khoảng bảo vệ = 1/4 kích thước FFT, trên giao diện nhập dữ liệu khoảng bảo vệ được hiển thị bằng nhãn 'Khoảng bảo vệ' (4 có nghĩa là khoảng bảo vệ = 1/4 kích thước FFT). Ngưỡng BER: Ngưỡng BER là giá trị dùng để thiết lập xem sóng mang nào sẽ được dùng truyền dữ liệu người dùng và sóng mang nào sẽ không sử dụng tức là phải tiến hành chèn ‘0’. Hàm thực hiện chức năng kiểm tra lỗi cho từng sóng mang con là hàm ‘dem_loi’. Hàm này sẽ tính ra giá trị BER của từng sóng mang con và kiểm tra xem nếu sóng mang nào có giá trị BER > BER ngưỡng thì sẽ gán cho phần tử của mảng QĐ tương ứng với vị trí sóng mang này giá trị là ‘1’, tức là không dùng sóng mang này. Sau đó hàm ‘chen_song_mang’ sẽ căn cứ vào giá trị của mảng QĐ mà sẽ quyết định dùng và không dùng sóng mang nào. Nếu ngưỡng BER được thiết lập quá lớn thì sẽ không có tác dụng chọn lọc sóng mang vì các giá trị BER hiện thời trên mỗi sóng mang có thể đều nhỏ hơn giá trị BER ngưỡng. Tuy nhiên nếu thiết lập giá trị BER ngưỡng quá nhỏ thì số sóng mang đảm bảo giá trị BER nhỏ hơn giá trị BER ngưỡng sẽ rất ít do đó tốc độ truyền dẫn sẽ rất chậm do chỉ tiến hành truyền dữ liệu trên một số ít sóng mang. Trong đồ án giá trị BER ngưỡng được thiết lập là 10-3. Tần số Doppler: Do chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát gây ra hiệu ứng Doppler. Doppler gây hiệu ứng điều tần ngẫu nhiên đối với các thành phần sóng mang do đó làm sai lệch giá trị tần số của các sóng mang con. Điều này dẫn đến phổ tần của các sóng mang con chồng lần quá mức lên nhau làm mất tính trực giao của các sóng mang con. Khi không còn giữ tính trực giao thì năng lượng tín hiệu trên các sóng mang sẽ chồng lấn lên nhau điều này sẽ dẫn tới không còn phân biệt được ranh giới giữa các ký hiệu trên các sóng mang con do đó gây lỗi tại bộ quyết định. Tất nhiên tần số Doppler trong đồ án chỉ là giá trị có ý nghĩa mô phỏng để đảm bảo tính thực tế của mô hình kênh, thông thường tần số Doppler < 100 Hz. Đồ án thiết lập giá trị tần số Doppler là 50 Hz. Đáp ứng xung kim kênh: Đáp ứng xung kim của kênh chính là số lượng xung kim và giá trị biên độ suy giảm của các xung kim đó cùng với thời gian trễ. Hình 6.6 Cho thấy hình dạng đáp ứng của kênh xung kim, với 3 đường trễ. Tương ứng các giá trị biên độ trên hình vẽ là các giá trị biên độ suy giảm của nhánh trễ của kênh. Và thời gian trễ của từng nhánh là thời gian trễ của các xung kim của kênh. Trên bảng khởi tạo giá trị ban đầu cho hệ thống AOFDM thì: Thời gian trễ của xung thứ nhất sẽ là 5 tương ứng với nhãn ‘nhánh 1’ trên bảng. Thời gian trễ của xung thứ hai là 5+3 = 8 tương ứng với nhãn 'nhánh 2' trên bảng. Thời gian trễ của nhánh thứ ba là 5+3+9 = 17 tương ứng với nhãn ‘nhánh 3’ trên bảng. Các giá trị biên độ suy giảm của nhánh trễ sẽ tương ứng với các nhánh là các nhãn ‘suy giảm 1’, ‘suy giảm 2’, ’suy giảm 3’ với các giá trị lần lượt là 0.32, 0.28, 0.13. Tương ứng với các giá trị này thì hình dạng hàm truyền đạt của kênh sẽ có dạng: Hình 6.7 Hình dạng hàm truyền đạt của kênh Tần số lấy mẫu ký hiệu phát: Mỗi ký hiệu sau khi điều chế ký hiệu OFDM đều được lấy mẫu với tần số lấy mẫu fs. Để đảm bảo lấy mẫu được đầy đủ ký hiệu phát thì tần số lấy mẫu cần thoả mãn định lý Nyquist: tức là tần số lấy mẫu tối thiểu phải gấp hai lần tần số ký hiệu. Trên bảng nhập các giá trị khởi đầu tần số lấy mẫu được thể hiện bằng giá trị dưới nhãn ‘Tần số lấy mẫu’, trên bảng giá trị này là 3 tức là đối với mỗi ký hiệu OFDM sau điều chế chúng ta sẽ lấy mẫu tại 3 vị trí của ký hiệu. Tất nhiên ký hiệu sau khi thu sẽ là giá trị trung bình của các mẫu của cùng tín hiệu phát, do đó khi tần số lấy mẫu lớn thì giá trị ký hiệu thu sẽ gần như giá trị ký hiệu phát vì thế BER sẽ giảm. Tuy nhiên nếu tần số lẫy mẫu quá lớn sẽ dẫn đến giảm tốc độ bit thực truyền dẫn do phát lặp lại cùng một ký hiệu nhiều lần. Trong đồ án giá trị tần số lấy mẫu = 3 lần giá trị tần số ký hiệu OFDM. Số trạng thái điều chế: Trong đồ án dùng phương pháp điều chế chủ yếu là M-QAM, với số trạng thái điều chế thay đổi với các giá trị M = 2, 4, 16, 64. Số trạng thái điều chế ban đầu được thiết lập là giá trị nằm dưới nhãn 'Mức điều chế QAM' trong bảng khởi tạo. Tất nhiên khi chọn nguyên cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang hoặc không chọn cơ chế thích ứng nào thì số trạng thái điều chế được giữ nguyên trong quá trình mô phỏng, nếu chọn cơ chế thích ứng mức điều chế thì số trạng thái điều chế sẽ được thay đổi tuỳ theo tình trạng kênh hiện thời hay giá trị BER tổng cộng sau mỗi lần phát ký hiệu OFDM. Trong đồ án giá trị số trạng thái điều chế ban đầu được thiết lập là 2. Định dạng file truyền: Để linh hoạt trong việc tạo ra dữ liệu người dùng dùng trong mô phỏng, đồ án đã xây dựng hàm có thể đọc các loại file văn bản (text.txt) hoặc file hình ảnh (*.JPG, *.BMP,…). Tất nhiên mỗi loại file có một định dạng khác nhau và dung lượng hoàn toàn khác nhau, do đó sẽ cần có một hàm đọc file khác nhau. Trên bảng khởi tạo định dạng file được mô tả thông qua nhãn ‘Loại file’. Nếu Loại file = 1 tức là sẽ truyền file văn bản có tên ‘Design.txt’, kết quả mô phỏng sau khi truyền qua môi trường kênh sẽ được lưu trong file ‘Result.txt’. Loại file = 2 tức là sẽ truyền file đồ hoạ có tên ‘Fish.bmp’, kết quả mô phỏng sau khi truyền qua môi trường kênh sẽ được lưu trong file ‘anh_dep.jpg’. Tất nhiên kết quả sẽ được hiển thi thông qua giao diện ‘xem_anh’. Nếu dùng file đồ hoạ để mô phỏng thì thời gian đọc file và chuyển dữ liệu sang dạng nhị phân, sau đó tiến hành điều chế chuyển mức rồi điều chế tín hiệu OFDM sẽ rất lâu. Để ta có thể quan sát được quá trình điều chế dữ liệu và thu phát qua kênh vô tuyến thì đồ án đã thiết lập giao diện mô phỏng ‘OFDM_S’. Trước tiên dữ liệu đọc từ file có dạng các mảng thập phân sẽ được cắt nhỏ thành từng khối (thông thường mỗi khối gồm 200 phần tử). Sau đó sẽ tiến hành chuyển từng khối sang dạng nhị phân rồi tiến hành điều chế OFDM dữ liệu nhị phân trong khối này, tín hiệu sau điều chế OFDM sẽ được phát qua mô hình kênh và thu tại bộ thu OFDM. Dữ liệu thu sẽ được chuyển lại thành các khối thập phân và được lưu vào một mảng, sau khi kết thúc mô phỏng dữ liệu thu dưới dạng các khối thập phân sẽ được ghép lại với nhau theo định dạng file ban đầu rồi tiến hành ghi ra file ảnh. Tiếp tục chương trình sẽ hiển thị kết quả ảnh thu được để so sánh chất lượng. 6.3 Chương trình mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng 6.3.1 Giao diện chương trình mô phỏng Chương trình mô phỏng được thiết kế bằng ngôn ngữ Matlab 6.5, và được tổ chức thành từng module. Tính module cho phép, cải tiến, phát triển và nâng cấp sau này. Do có tính module nên thuận lợi cho việc kiểm tra, đánh giá, khảo sát mô hình ở dạng rời rạc và liên kết. Để chạy chương trình mô phỏng AOFDM, từ cửa sổ lệnh của MatLab ta gõ lệnh “AOFDM”. Dưới đây là phần giao diện bắt đầu của chương trình. Phần giao diện chính của chương trình sẽ được mở khi nhấn chuột vào nút tiếp tục. Trước khi đến với giao diện chính, giao diện minh hoạ hình ảnh dùng để truyền sẽ được mở ra. Hình bên trái với tiêu đề :’ Ảnh dùng để phát’ sẽ là hình ảnh phục vụ cho suốt quá trình mô phỏng. Trục toạ độ còn lại bên phải sẽ hiện ảnh sau khi truyền qua AOFDM. Sau khi hoàn thiện mô phỏng hệ thống AOFDM thì ảnh này sẽ được mở ra để so sánh giữa chất lượng ảnh gốc và ảnh sau khi truyền qua AOFDM. Tất nhiên vì lý do thời gian truyền quá lâu khi dùng ảnh mầu 32 bit (do xử lý số bằng phần mềm có tốc độ rất chậm, trong các hệ thống thực tế tốc độ tính toán cao do các thao tác xử lý số được thực hiện phần lớn bằng phần cứng ). Cho nên để nhanh chóng đồ án chỉ mô phỏng kết quả với ảnh trắng đen. Khi kích hoạt vào nút “tiếp tục” ở giao diện đầu tiên thì chương trình sẽ gọi một giao diện để mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng, giao diện có tên hàm là 'OFDM_S'. Dưới đây sẽ là phần giao diện thực hiện ý tưởng của đồ án, giao diện được cấu trúc theo từng module, mỗi module sẽ thực hiện một nhiệm vụ và minh họa một phần kết quả trong hệ thống truyền dẫn thích ứng OFDM. Phần khung công cụ thực hiện bao gồm các nút công cụ: ‘Execute’: sẽ thực hiện kích hoạt hệ thống AOFDM hoạt động. ‘Input Data’: sẽ mở ra một giao diện để nhập các thông số khởi tạo hệ thống. ‘Close’: sẽ đóng giao diện mô phỏng. ‘Back’: sẽ quay trở lại giao diện đầu tiên ‘AOFDM’. Phần khung công cụ thích ứng bao gồm các nút công cụ: ‘Chọn lọc SM’: là biểu tượng khi tích vào hệ thống sẽ kích hoạt chế độ thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang. ‘Mức điều chế’: khi tích vào biểu tượng này hệ thống sẽ kích hoạt chế độ thích ứng theo mức điều chế (AQAM). Tất nhiên ta có thể kích hoạt đồng thời hai cơ chế thích ứng bằng cách tích vào cả hai biểu tượng trên. ‘Kênh động’: là công cụ mà khi kích hoạt nó sẽ tạo ra một kênh vô tuyến có hàm truyền đạt thay đổi theo thời gian. Nếu không kích hoạt công cụ này thì kênh mô phỏng sẽ là kênh tĩnh, các tham số kênh sẽ giữ nguyên trong quá trình mô phỏng. Phần hiển thị tín hiệu M-QAM: sẽ hiển thị chòm sao M-QAM tại bộ thu sau khi tín hiệu được giải điều chế OFDM. Khi số trạng thái điều chế là M thì phần giao diện này sẽ hiện thị chòm sao M-QAM, trên phần giao diện là chòm sao 16-QAM. Phần hiển thị tín hiệu OFDM: sẽ hiển thị dạng sóng trong miền thời gian của tín hiệu OFDM phát và thu đồng thời cũng hiển thị hàm truyền đạt của kênh và phổ của tín hiệu OFDM thu. Mục đích đồ án xây dựng giao diện hiển thị phổ của tín hiệu OFDM thu và hàm truyền đạt của kênh để dễ dàng quan sát cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang. Ứng với những vị trí mà hàm truyền đạt của kênh nhận các giá trị khác ‘1’ rất nhiều thì các sóng mang con có giá trị tần số nằm gần khoảng đó sẽ không được sử dụng, trên giao diện ta thấy ứng với các giá trị này thì đáp ứng tần số của tín hiệu thu sẽ xấp xỉ ‘0’. Cơ chế chọn lọc sóng mang được coi là hoạt động tốt khi lựa chọn được những khoảng mà đáp ứng của kênh là xấp xỉ ‘1’. Phần hiển thị kết quả: sẽ cung cấp các giá trị BER hiện thời của từng sóng mang con và giá trị BER tổng hợp của toàn bộ hệ thống. Giá trị BER hiện thời của các sóng mang con được hiện thị dưới nhãn ‘Giá trị BER của các sóng mang con’. Giá trị BER của hệ thống được hiển thị dưới nhãn ‘BER’. Ngoài ra để tiện theo dõi số lượng công việc đã hoàn thành được bao nhiêu phần trăm, giao diện cũng đưa ra một bảng hiển thị thời gian thực hiện và số phần trăm công việc đã thực hiện. Một bảng hiển thị rất quan trọng để theo dõi cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang là hiển thị số lượng sóng mang được dùng để truyền dữ liệu người dùng, đó là nhãn ‘Số sm truyền’. Trên phần giao diện ta thấy số sóng mang thiết lập ban đầu là 100 (ta thấy chiều dài của trục hoành của nhãn ‘Giá trị BER của các sóng mang con là 100’), trong khi đó số sóng mang truyền dữ liệu người dùng chỉ có 24. Tất nhiên việc dùng số lượng ít sóng mang truyền dẫn sẽ làm chậm tốc độ hệ thống nhưng với điều kiện kênh quá tồi thì nếu truyền dữ liệu trên các sóng mang còn lại thì sẽ chịu một tỷ lệ lỗi quá lớn vượt quá giá trị BER yêu cầu cho mỗi dịch vụ và khi đó sẽ không đảm bảo được QoS. 6.3.2 Các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng Đồ án sẽ nghiên cứu hoạt động của hệ thống truyền dẫn OFDM khi chỉ dùng một cơ chế thích ứng, khi dùng đồng thời các cơ chế thích ứng và khi không dùng thích ứng. Đồng thời cũng nghiên cứu hiệu năng của các phương pháp thích ứng trong các điều kiện kênh khác nhau: kênh tĩnh, kênh động và các tham số kênh khởi tạo khác nhau. 6.3.2.1 Kết quả mô phỏng không dùng cơ chế thích ứng Trước tiên để dễ so sánh giữa các phương pháp thích ứng và so sánh hiệu năng của cơ chế thích ứng với khi không thích ứng, ta hãy xem kết quả truyền dữ liệu người dùng là file ảnh với phương pháp điều chế 4-QAM qua hệ thống OFDM mà không dùng bất kỳ cơ chế thích ứng nào cả. Tham số ban đầu được thiết lập như giao diện khởi tạo phía trên. Giao diện mô phỏng sẽ như sau: Ta thấy rằng ở những vị trí đáp ứng kênh có giá trị khác ‘1’ rất nhiều thì giá trị BER của các sóng mang con tại đó sẽ rất lớn. Trên giao diện mô phỏng thứ nhất giá trị BER của các sóng mang con ta thấy có ba vùng mà BER rất lớn so với các vùng khác. Nhìn lên phần giao diện đặc tuyến tần số của tín hiệu OFDM thu, ta thấy tương ứng với ba vùng BER cao này là ba vùng mà đáp ứng kênh bị lõm nghiêm trọng. Do đó các sóng mang con tại đây biên độ bị suy giảm nhanh chóng gây lỗi lớn sau bộ quyết định. Kết quả trên giao diện mô phỏng thứ hai cũng tương tự, chỉ có điều chỉ có hai vùng BER cao. Kết quả file ảnh truyền qua môi trường kênh mà không sử dụng cơ chế thích ứng nào sẽ như sau. Ta thấy trên ảnh thu được hình thành những đường lỗi cụm do các sóng mang tại những vị trí kênh biến động lớn sẽ bị lỗi cụm. Ở cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang sẽ giải quyết triệt để vấn đề này. 6.3.2.2 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng mức điều chế Giá trị BER thiết lập trong đồ án cho các mức chuyển được cho trong bảng 6.2. Cơ chế chuyển mức cũng phải tuân theo quy tắc sau: Nếu đang ở mức BPSK không thể trực tiếp chuyển lên mức 16-QAM, 64-QAM được mà phải qua bước trung gian là 4-QAM, và đang ở mức 4-QAM cũng vậy không thể chuyển trực tiếp lên 64-QAM. Nhưng đang ở mức 16-QAM, 64-QAM nếu BER tổng quá cao có thể chuyển trực tiếp xuống BPSK. Vì có cơ chế này mà hệ thống làm việc rất hiệu quả, nguyên nhân là khi đang ở các mức BPSK, 4-QAM nếu kèm theo cơ chế chọn lọc sóng mang thì thường BER tổng = 0, nhưng không phải ở mức 16-QAM, 64-QAM thì BER tổng cũng nhỏ như vậy mà thường BER tổng sẽ không đảm bảo mức ngưỡng do đó để đảm bảo QoS thì cần phải chuyển qua mức trung gian. Bảng 6.2 Tham số BER điều khiển chuyển mức điều chế Giá trị BER tổng Ngưỡng BER Mức điều chế BER> 0.2 Không thiết lập Không phát BER ≥ 0,1 10-2 BPSK 0.1>BER ≥ 0,01 10-3 4-QAM 10-4 16-QAM 10-5 64-QAM Dưới đây là giao diện hoạt động của cơ chế thích ứng mức điều chế, mức điều chế được thiết lập ban đầu là 4-QAM. các tham số khởi tạo được cho trong giao diện khởi tạo phía trên như phần mô phỏng không sử dụng cơ chế thích ứng. Ta thấy chất lượng ảnh thu được sau mô phỏng tốt hơn so với trường hợp không dùng cơ chế thích ứng một chút, các đường xước nhỏ hơn. Tuy nhiên sự cải thiện QoS này không đáng kể, vẫn xảy ra lỗi cụm. Theo quan sát giá trị BER tổng luôn luôn > 0.01 do đó nếu theo cơ chế thích ứng chọn mức điều chế thì sẽ luôn luôn không đạt mức phát 16-QAM. 6.3.2.3 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang Dưới đây là giao diện hoạt động của cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang, phương pháp điều chế sóng mang con là 4-QAM, các tham số khởi tạo được cho trong giao diện khởi tạo phía trên như phần mô phỏng không sử dụng cơ chế thích ứng. Ta thấy rằng những vị trí sóng mang con có BER lớn sẽ không được dùng để truyền dữ liệu. Trên giao diện mô phỏng thứ nhất có bốn vị trí như vậy và trên vùng hiển thị giá trị BER của từng sóng mang ta thấy có năm vị trí cho BER thấp nhất và tất nhiên theo cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang thì hệ thống đã chọn năm vị trí đó để truyền dữ liệu. Nhìn vào vùng hiển thị số lượng sóng mang truyền dữ liệu người dùng ta thấy chỉ có 36 sóng mang con được sử dụng trên tổng số 100 sóng mang con dùng truyền dữ liệu. Trên giao diện thứ hai kết quả cũng tương tự, chỉ có điều là số lượng các vùng đáp ứng kênh có BER thấp nhiều hơn, khi này số lượng sóng mang có mức BER thoả mãn ngưỡng sẽ nhiều lên, có 42/ 100 sóng mang con dùng truyền dữ liệu người dùng. Dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang kết quả là BER tổng luôn xấp xỉ ‘0’ đối với 4-QAM, giá trị này thấp hơn nhiều so với khi không dùng cơ chế thích ứng. Kết quả ảnh thu được sau khi truyền qua hệ thống AOFDM có chất lượng cao hơn rất nhiều so với hệ thống OFDM không dùng cơ chế thích ứng. Trên giao diện hiển thị kết quả ảnh thu ta thấy phần đầu của ảnh có vài vết xước, do ta thiết lập mảng QĐ với các phần tử toàn giá trị ‘0’, tức là lần đầu phát ta sử dụng 100 % số sóng mang hiện có, vì vậy trong lần đầu tiên BER khá cao. Tuy nhiên sau lần đầu tiên cơ chế thích ứng làm việc rất hiệu quả đã chọn lọc ra các sóng mang có BER thấp để truyền dữ liệu do đó phần ảnh thu còn lại có chất lượng rất cao hoàn toàn giống như ảnh phát. Mặc dù mức điều chế luôn không đổi 4-QAM, trong khi đó cơ chế chuyển mức điều chế ở trên thường xuyên phát BPSK (do BER tổng cao) tức là thông lượng của cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang cao hơn mức điều chế trong trường hợp này. Đến đây ta mới thấy phương pháp thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang làm việc thật hiệu quả trong trường hợp kênh tồi. Tuy nhiên khi điều kiện kênh tốt hơn thì nếu sử dụng nguyên cơ chế chọn lọc sóng mang sẽ không hiệu quả đối với các mức điều chế cao như 16-QAM, 64-QAM, 128-QAM… Vì khi đó có trường hợp kênh đột ngột trở nên rất xấu mà ta cứ giữ nguyên mức điều chế hiện thời sẽ không ổn vì khi đó tốc độ truyền dữ liệu sẽ rất thấp. Có trường hợp khi mức điều chế là 64-QAM nếu cứ giữ nguyên mức điều chế này thì chỉ còn dưới 10 sóng mang đảm bảo được giá trị BER ngưỡng trên tổng số 100 sóng mang mô phỏng. Do đó tốc độ truyền dẫn sẽ cực thấp và không đảm bảo QoS đối với các dịch vụ yêu cầu tính thời gian thực. Cho nên để hiệu quả thì phương pháp thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang phải đi kèm theo cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế. 6.3.2.3 Kết quả mô phỏng dùng kết hợp hai cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế và chọn lọc sóng mang Dưới đây là trường hợp khi kết hợp hai phương pháp thích ứng trên với cùng điều kiện kênh như giao diện khởi tạo phía trên: Ta thấy với điều kiện kênh tồi như vậy mà khi kết hợp hai phương pháp thích ứng trên thì vẫn cho phép mức điều chế lên đến 16-QAM, tất nhiên tần suất xuất hiện của 16-QAM sẽ ít hơn 4-QAM. Tuy nhiên nêu để ý thì ở mức 16-QAM, số sóng mang dùng để truyền dữ liệu sẽ rất ít thường < 50 sóng mang trên tổng số 100 sóng mang, giá trị trên giao diện mô phỏng là 46, 58 và 24 sóng mang, những vẫn đảm bảo được tốc độ truyền dữ liệu người dùng và BER yêu cầu do mức điều chế cao và dùng kết hợp cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang. Điều đặc biệt là không có lần nào hệ thống phải chuyển mức phát BPSK. Vì điều này mà thông lượng của cơ chế thích ứng kết hợp giữa hai cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang và thích ứng mức điều chế lớn hơn hẳn các cơ chế thích ứng độc lập. Tất nhiên ảnh sẽ không thể đẹp như trong trường hợp truyền 4-QAM dùng nguyên cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang. Nhưng so sánh với trường hợp truyền 4-QAM mà không dùng một cơ chế thích ứng nào hay 4-QAM dùng nguyên cơ chế thích ứng mức điều chế thì chất lượng vẫn tốt hơn nhiều. Qua đây ta có thể kết luận rằng một mình cơ chế chọn lọc sóng mang chỉ hoạt động tốt trong điều kiện kênh tồi. Hệ thống sẽ hoạt động tốt nhất khi kết hợp giữa hai cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang và chuyển mức điều chế. 6.4 Đánh giá hiệu năng của các cơ chế thích ứng thông qua kết quả mô phỏng Để quan sát hiệu năng của mỗi lần thực hiện mô phỏng (có thể dùng hoặc không dùng cơ chế thích ứng), đồ án đã thiết kế giao diện hiển thị: Hiệu năng BER của hệ thống thông qua kết quả BER trong mỗi lần phát ký hiệu (giá trị hiển thị trên nhãn 'BER' trong phần hiển thị kết quả trên giao diện mô phỏng 'OFDM_S') Hiệu năng thông lượng của hệ thống, được đo bằng số bit/ký hiệu điều chế sóng mang con (ví dụ, 4-QAM sẽ có thông lượng là 2 bit/ký hiệu). Thông lượng chính là tốc độ bit truyền dữ liệu. Giao diện hiển thị hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng hệ thống sẽ được mở ra ngay khi kết thúc mô phỏng quá trình truyền dữ liệu, để hiển thị kết quả mô phỏng cho trường hợp mới nhất. Dưới đây là giao diện hiển thị hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng cho trường hợp mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM kết hợp cả hai cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang và mức điều chế. Để xem hiệu năng thông lượng của hệ thống, phải kích chuột vào nút thông lượng trên phần hiển thị kết quả mô phỏng. Để dễ dàng so sánh hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng của các cơ chế thích ứng khác nhau, cũng như giữa thích ứng và không thích ứng, đồ án đã tổng kết các lần chạy chương trình mô phỏng khác nhau và đưa ra kết quả tổng hợp thông qua giao diện so sánh. Kết quả hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng của hệ thống truyền dẫn OFDM thông qua mô phỏng. Giao diện so sánh hiệu năng và thông lượng sẽ được mở ra khi kích chuột vào nút 'So sánh' trên giao diện đánh giá hiệu năng. Chỉ tiêu so sánh: Gồm hai chỉ tiêu là hiệu năng (BER) và thông lượng (BPS). Đối tượng so sánh: Giữa các hệ thống sử dụng các cơ chế thích ứng, và giữa hệ thống dùng cơ chế thích ứng và hệ thống không dùng thích ứng. Phương pháp so sánh: So sánh hiệu năng BER (QoS) và hiệu năng thông lượng (BPS) của các hệ thống trên, khi số trạng thái điều chế sóng mang con bắt đầu mô phỏng: 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM. Trường hợp 1: Mức điều chế sóng mang thiết lập ban đầu là BPSK, đặc biệt để so sánh một cách triệt để hiệu năng và thông lượng giữa các cơ chế thích ứng, ta sẽ chọn điều kiện kênh thiết lập ban đầu sao cho hệ thống thích ứng theo mức điều chế luôn không đạt ngưỡng phát 16-QAM, với điều kiện này ta có kết quả: Phân tích kết quả: Hiệu năng BER: Khi điều kiện kênh truyền tồi SNR < 17 dB hệ thống OFDM dùng cơ chế thích ứng mức điều chế và hệ thống OFDM không thích ứng có hiệu năng như nhau do chỉ đảm bảo SNR phát BPSK. Cũng với điều kiên kênh như vậy, hệ thống OFDM dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang và hệ thống OFDM dùng cơ chế thích ứng kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế lại có hiệu năng cao hơn, do hai hệ thống này chỉ truyền dữ liệu trên các vùng đáp ứng kênh tốt. Tuy nhiên hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp sẽ cho hiệu năng thấp hơn hệ thống dùng nguyên cơ chế chọn lọc sóng mang. Vì, hệ thống dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang giữ nguyên mức điều chế BPSK, nhưng hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp đã đảm bảo BER phát 4 -QAM, mặt khác ở mức 4-QAM hiệu năng sẽ thấp hơn 4-QAM. Khi điều kiện kênh truyền tốt hơn, SNR > 17 dB, ta thấy giữa các hệ thống đã có sự khác biệt rõ ràng. Hệ thống dùng nguyên cơ chế thích ứng chọn lóc sóng mang có hiệu năng cao nhất, do giữ nguyên mức điều chế BPSK và truyền dữ liệu trên vùng đáp ứng kênh tốt. Hệ thống dùng cơ chế thích ứng mức điều chế do đảm bảo BER phát 4-QAM, ở mức này sẽ cho hiệu năng thấp hơn hiệu năng của hệ thống không dùng thích ứng. Hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp do đảm bảo BER phát 16-QAM, ở mức này dù có cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang song hiệu năng vẫn thấp hơn hệ thống không dùng thích ứng luôn giữ nguyên mức điều chế BPSK. Nếu chú ý ta sẽ thấy đường thể hiện BER của các hệ thống dùng cơ chế thích ứng mức điều chế có sự nhẩy bậc. Điều này xảy ra do sự chuyển mức điều chế, ở mức điều chế cao BER bao giờ cũng cao hơn ở mức điều chế thấp. Hiệu năng thông lượng Đối với hệ thống không dùng một cơ chế thích ứng nào hoặc thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang sẽ có thông lượng không đổi, kết quả so sánh chỉ có ý nghĩa đối với hai cơ chế thích ứng là chuyển mức điều chế (AQAM) và kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế. Khi điều kênh kênh tồi (SNR < 8 dB), hệ thống không thích ứng và hệ thống thích ứng theo mức điều chế có thông lượng như nhau 1 bit/ký hiệu (các hệ thống đều phát BPSK). Song cũng với điều kiện kênh như vậy, hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế đã có thể phát 4-QAM. Đến khi hệ thống thích ứng theo mức điều chế có thể phát ổn định 4-QAM, thì hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp đã có thể phát 16-QAM. Tuy số lần phát 4-QAM và 16-QAM tương đương nhau, nhưng như thế thông lượng của hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp cũng cao hơn rất nhiều so với các hệ thống khác. Để thấy rõ ưu điểm của các cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế ta hãy xét điều kiện kênh truyền tốt hơn, và mức điều chế cao hơn. Trường hợp 2: Mức điều chế sóng mang con thiết lập ban đầu là 4-QAM. Kênh truyền được thiết lập sao cho cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế không đạt ngưỡng phát 64-QAM (vì nếu như vậy sẽ không so sánh chọn vẹn hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng giữa các cơ chế thích ứng cho từng mức ngưỡng phát khác nhau). Phân tích kết quả: Hiệu năng BER: Hiệu năng so sánh trong trường hợp này cũng tương tự như trường hợp đầu, hệ thống dùng nguyên cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang vẫn cho hiệu năng cao nhất. Khi SNR > 32 dB ta thấy hiệu năng của hệ thống dùng cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế thấp nhất, vì hệ thống phát 16-QAM sẽ có BER cao hơn mức phát 4-QAM cố định của hệ thống không thích ứng. Hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp đạt ngưỡng phát 16-QAM rất sớm (SNR > 22 dB), và hiệu năng cũng cao hơn hệ thống dùng nguyên cơ chế chuyển mức điều chế. Hiệu năng thông lượng Thông lượng của hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp vẫn tỏ ra ưu thế hơn hệ thống dùng cơ chế chuyển mức điều chế thông thường, hệ thống này đạt ngưỡng phát 4-QAM và 16-QAM sớm hơn hệ thống dùng nguyên cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế. Hai trường hợp vừa khảo sát ta chưa thấy ưu điểm rõ rệt của các hệ thống dùng cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế, tuy nhiên với điều kiện kênh truyền tốt hơn và mức điều chế sóng mang con thiết lập ban đầu cao hơn ta sẽ thấy ưu điểm của các hệ thống này. Trường hợp 3: Mức điều chế sóng mang con thiết lập ban đầu là 16-QAM. Hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng trong trường hợp này được thể hiện trong giao diện dưới đây: Phân tích kết quả: Hiệu năng BER Trường hợp này hiệu năng so sánh giữa các hệ thống đã khác xa so với hai trường hợp vừa khảo sát. Các hệ thống dùng cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế đã chiếm ưu thế hơn hẳn. Nguyên nhân do có sự chuyển mức điều chế từ cao xuống thấp làm BER giảm mạnh, trong khi các hệ thống không dùng cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế vẫn giữ nguyên mức điều chế cao (16-QAM). Hiệu năng của cơ chế thích ứng kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế đã cao hơn các hệ thống khác. Song khi SNR cao do hệ thống này đạt mức phát 64-QAM, do đó hiệu năng có phần thấp hơn hệ thống dùng nguyên cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang. Hiệu năng thông lượng Trong trường hợp này vẫn có sự khác nhau về thông lượng giữa hai cơ chế thích ứng: chuyển mức điều chế đơn thuần và kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế. Cơ chế thích ứng kết hợp vẫn tỏ ra hiệu quả hơn hẳn, cả khi SNR thấp và SNR cao hơn. Đặc biệt khi SNR > 35 hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp đã có thể phát 64-QAM, trong khi hệ thống dùng nguyên cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế chỉ đạt ngưỡng BER phát 16-QAM. Để thấy rõ ưu điểm vượt trội của hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế ta hãy xét trường hợp mức điều chế thiết lập ban đầu là 64-QAM. Trường hợp 4: Mức điều chế sóng mang con thiết lập ban đầu là 64-QAM. Phân tích kết quả Hiệu năng BER Hiệu năng của các hệ thống dùng cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế đã chiếm ưu thế tuyệt đối. Trong đó hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế cho hiệu năng cao nhất. Hiệu năng thông lượng Trong trường hợp này các hệ thống không dùng cơ chế chuyển mức điều chế sẽ cho thông lượng cao nhất do giữ nguyên mức điều chế 64-QAM. Tuy nhiên cần lưu ý rằng, hiệu năng BER của các hệ thống này thấp hơn rất nhiều so với các hệ thống dùng cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế, do đó sẽ không đảm bảo QoS 6.5 Kết luận Chương này đã giới thiệu tính năng của chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM. Phân tích phương pháp mô phỏng tín hiệu OFDM, phân tích các thông số hệ thống truyền dẫn OFDM. So sánh hiệu quả của các hệ thống OFDM sử dụng các cơ chế thích ứng và các hệ thống OFDM không dùng cơ chế thích ứng, tiêu chí so sánh được thể hiện thông qua đánh giá chất lượng ảnh ban đầu và ảnh truyền qua các hệ thống OFDM. Một kết quả rất quan trọng là chương này đã đánh giá hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng của các cơ chế thích ứng khác nhau thông qua mô phỏng, kết quả so sánh giữa các hệ thống sử dụng các cơ chế thích ứng khác nhau và các hệ thống không dùng cơ chế thích ứng cho thấy sự kết hợp của hai cơ chế thích ứng là thích ứng theo mức điều chế (AQAM) và cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang đã đem lại hiệu năng BER cực đại đồng thời hiệu năng thông lượng cũng cao hơn rất nhiều so với các hệ thống chỉ dùng một cơ chế thích ứng độc lập. Kết luận Đồ án đã nghiên cứu về công nghệ OFDM, mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM, nghiên cứu về cách tạo và thu tín hiệu OFDM. Phân tích ảnh hưởng của ICI, ISI đến hiệu năng hệ thống truyền dẫn OFDM, và hiệu quả của việc dùng bộ lọc băng thông trong việc tiết kiệm phổ tần. Một vấn đề rất quan trọng đối với hệ thống truyền dẫn vô tuyến là đặc điểm kênh truyền vô tuyến cũng được nghiên cứu, với các hiệu ứng: Trải trễ, dịch Doppler, đa đường..., nghiên cứu mô phỏng kênh pha đinh Rayleigh, Rice. Kết quả mô phỏng kênh này đã được dùng để mô phỏng hệ thống truyền dẫn thích ứng OFDM. Để giảm sai lỗi tại bộ quyết định đồ án đã nghiên cứu các phương pháp cân bằng và ước tính kênh, và trong kết quả mô phỏng dùng bộ cân bằng MMSE với công nghệ ước tính kênh là phương pháp FFT. Phần cuối cùng và cũng là quan trọng nhất mà đồ án đã hoàn thành đó là xây dựng được chương trình mô phỏng một hệ thống truyền dẫn thích ứng OFDM. Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết thích ứng, và những tồn tại của các phương pháp thích ứng đã có như: thích ứng theo SNR phát, thích ứng theo mức điều chế (AQAM). Đồ án đã đề xuất phương án thích ứng hoàn toàn mới đó là cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang. Nhận thấy những ưu điểm vượt trội của hai cơ chế thích ứng đó là cơ chế chọn lọc sóng mang và cơ chế thích ứng theo mức điều chế, đồ án đã mạnh dạn chọn hai cơ chế thích ứng này để mô phỏng. Hiệu năng của hai phương pháp thích ứng này được so sánh dựa trên kết quả mô phỏng và cuối cùng đồ án đã kết luận sự kết hợp của hai phương pháp thích ứng này sẽ đem lại hiệu năng vượt trội cho hệ thống hơn bất kỳ phương pháp thích ứng riêng rẽ nào khác. Đồ án đã lựa chọn cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang và cơ chế thích ứng theo mức điều chế. Cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang hoạt động rất hiệu quả, nhưng phương pháp thích ứng theo mức điều chế cần được tối ưu hơn. Trong đồ án cơ chế thích ứng theo mức điều chế sẽ thay đổi mức điều chế trên toàn bộ các sóng mang con một cách đồng loạt và bình đẳng, do đó hiệu quả mang lại chưa cao, trong thời gian tới nếu xây dựng từng sơ đồ thích ứng mức điều chế độc lập cho mỗi sóng mang con thì hiệu quả mang lại sẽ cao hơn. Mặt khác nếu kết hợp được công nghệ OFDM với CDMA sẽ giải quyết triệt để được những điều kiện bất lợi của kênh truyền vô tuyến. Để những nghiên cứu có tính thực tế, đồ án rất mong muốn xây dựng được chương trình mô phỏng hệ thống OFDM trên cơ sở phần cứng và sự đầu tư về tài chính để tiến hành thí nghiệm trên mô hình kênh thực tế. Bằng những thí nghiệm thực tế các thông số hệ thống sẽ thiết thực hơn và sẽ giúp nghiên cứu ứng dụng và triển khai hệ thống 4G trong trong tương lai gần. Tài liệu tham khảo [1]. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Thông tin di động thế hệ thứ 3”. Nhà xuất bản bưu điện 2002. [2]. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Lý thuyết trải phổ và ứng dụng”. Nhà xuất bản bưu điện 2001. [3]. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình cơ sở truyền dẫn viba số”. Nhà xuất bản Bưu điện 4-2001. [4]. Đề tài nghiên cứu khoa học “Nghiên cứu điều chế thích ứng cho máy thu phát thông minh trong thông tin di động“. Chủ trì đề tài TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng và các cộng tác viên, Hà nội 2004. [5]. “Spectrum Auctions”, Radiocommunications Agency of UK, Online: [6]. “Third Generation Mobile Phone Licensing in Europe”, TIA on line, Online: [7]. “Third Generation Mobile Phone Licensing in Europe”, TIA on line, Online: [8]. "Adaptive techniques for multiuser OFDM", for the degree of Doctor of Philosophy in Electrical and Computer Engineering, Eric Philip Lawrey, 12 - 2001. Lời cảm ơn Em xin trân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa viên thông I và đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn vô tuyến. Em xin gửi đến thầy giáo Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng và thầy giáo Ks. Nguyễn Viết Đảm lời cảm ơn chân thành nhất, hai thầy đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án và cung cấp cũng như hướng dẫn lựa chọn những tài liệu thiết thực đối với lĩnh vực nghiên cứu của đồ án. Xin cảm ơn gia đình tôi, những người luôn bên tôi trong lúc khó khăn nhất, Cuối cùng xin cảm ơn bạn bè tôi những người bạn thật tốt, đã luôn cạnh tôi trong suốt thời gian qua.