Ứng dụng của xử lý số tín hiệu trong thông số tối ưu hóa sự kết hợp mã nguồn và mã kênh852

Bài toán IA là bài toán quy ho ch toàn ph ng, nhi m v c a bài toán là tìm... nhiên trong kho ng 1 max... Ph ng pháp m i có tính ng d ng và tính kh thi cao... bit liên ti p trong khung.

Công trình đượ c hoàn thành t ại:

Lu n án ậ đượ c b o v tr ả ệ ướ c H i ng ánh giá lu n án ti n ộ đồ đ ậ ế

s c p Tr ĩ ấ ườ ng h p tạ ọ i Tr ườ ng Đạ ọ i h c Bách khoa Hà N i ộ

Vào hồi 14h gi 00, ngày 05 tháng 06 n m 2017 ờ ă

Có th tìm hi u lu n án t i th vi n: ể ể ậ ạ ư ệ

1 Th vi n T Quang B u - Tr ư ệ ạ ử ườ ng HBK Hà N Đ ội

2 Th vi n Qu c gia Vi t Nam ư ệ ố ệ

M Ở ĐẦ U

1 Gi i thi u ớ ệ đề tài

Trong các h th ng thông tin ngày nay, v n nâng cao ch t l ng và hi u

g p ph i trong quá trình c i ti n và nâng c p các h th ng là kh n ng t n d ng và

thay th toàn b h th ng d n t i m t nhi u công s c và chi phí

Tr c ây theo lý thuy t c a Shannon n m 1948 [1], mã hóa ngu n và mã

trúc n i ti p mã ngu n và mã kênh TSCC (Tandem Source Channel Coding) riêng

bi t Tuy nhiên nh lý c a Shannon ch úng trong tr ng h p lý t ng, khi c phía phát và phía thu không b gi i h n v ph c t p và tr i u này không

ph i luôn úng trong th c t , nh t là khi ph c t p và tr là hai y u t gi i

h n i v i các ng d ng truy n d n th i gian th c Nhi u h ng nghiên c u ã

t p trung vào m t ph ng pháp khác ó là k t h p mã ngu n và mã kênh JSCC

m b o tr và ph c t p m t m c nh t nh

Hi n nay có nhi u nghiên c u v các k thu t JSCC tuy nhiên h u nh ch mang tính lý thuy t do tính ph c t p cao c a h th ng và các i u ki n truy n d n

th c t M t trong nh ng h n ch c a h u h t các k thu t JSCC là tính linh ho t

và môi tr ng truy n d n cho tr c Do v y tính ng d ng không cao

Trong lu n án này t p trung nghiên c u ph ng pháp t i u hóa ph ng pháp gán t mã cho các m u tín hi u l ng t hay còn g i là ph ng pháp t i u vi c

k thu t l ng t hóa s hóa tín hi u Ph ng pháp này b n ch t là s p x p l i

th t b ng mã (Codebook) c a b l ng t hóa theo th t t i u gi m thi u

t c bit và tr H n n a ph ng pháp này khá linh ho t khi không i h i

ph i h p v i mã kênh Do ó, ph ng pháp này có tính kh thi cao, và còn có th

l ng t hóa mà không làm nh h ng n các kh i khác ây là m t l i th vì

2 Nh ng v n ữ ấ đề còn t n t i ồ ạ

b l ng t hóa l n là i u không kh thi Do v y có r t nhi u nghiên c u v lý thuy t và thu t toán tìm ra các ph ng án c n t i u (g i là thu t toán IA) Các

vì th c hi n ph ng pháp c n m t kh i tính toán l n và yêu c u b nh l n,

trong khi công ngh máy tính ch a hi n i nh ngày nay Các nghiên c u tr c

3 M c tiêu, ụ đố ượi t ng và phương pháp nghiên c u ứ

Nghiên c u, c i ti n các thu t toán IA nh m t ng n nh, t c th c hi n

và t i u c a thu t toán T ó ph ng pháp IA có th áp d ng v i các

tr ng h p th c t (b ng mã có kích th c t 8-10bit)

Nghiên c u, xu t ph ng pháp c l ng các tham s c a h th ng thông

ngu n mã kênh và k thu t i u ch s s d ng ph ng pháp IA

Nghiên c u ng d ng ph ng pháp IA vào k thu t l ng t hóa vect có

c u trúc s d ng trong các tr ng h p l ng t hóa vect có s chi u l n và kích th c b ng mã l n

Các h th ng thông tin s s d ng k thu t l ng t hóa vect (VQ) (hay

l ng t hóa theo kh i) và truy n d n qua kênh d ng v i mô hình kênh r i

r c không nh DMC (Discrete Memoryless Channel) H th ng có th s

d ng mã kênh i u khi n l i trong tr ng h p c n thi t và mã kênh (n u có) là các mã kh i có tính h th ng (Systematic Block Code)

Ý ngh a khoa h c: Các k t qu c a lu n án góp ph n phát tri n m t trong các

d n mà không nh h ng n ph c t p và b ng thông h th ng, nâng c p

chu n mã hóa tín hi u

Ý ngh a th c ti n: Các k t qu c a lu n án là m t gi i pháp c th và kh thi,

m ra kh n ng ng d ng trong vi c thi t k t i u các h th ng thông tin s

ho c nâng c p các h th ng s n có giúp nâng cao hi u n ng c a h th ng Các k t qu c a lu n án c ng b sung thêm m t gi i pháp nâng cao ch t

l ng tín hi u cho các nhà thi t k và s n xu t trong n c có th t thi t

k và ch t o các h th ng truy n d n tín hi u không quá ph c t p mà không

ph i s d ng n các module và chu n truy n d n tín hi u s n có, t ó có

5 C u trúc c a lu n án ấ ủ ậ

1.1 K t h p mã ngu n và mã kênh trong thông tin s ế ợ ồ ố

Là h th ng bao g m các kh i mã hóa ngu n, mã hóa kênh, i u ch Trong

g i là TSCC

Bao g m các k thu t: Mã ngu n t i u theo kênh (COSC), mã kênh t i u theo ngu n (SOCC), và m t s k thu t khác nh ph i h p b gi i mã kênh và

gi i mã ngu n, k thu t i u ch a phân gi i, và các k thu t lai

trong các h th ng thông tin s s d ng k thu t l ng t hóa tín hi u trong quá trình s hóa tín hi u

1.2 Lượng t hóa tín hi u ử ệ

VQ là tr ng h p t ng quát c a k thu t l ng t hóa vô h ng (SQ) do ó lu n

án s ch t p trung nghiên c u k thu t VQ

Ph ng pháp VQ ánh x m t nhóm các m u tín hi u (vect tín hi u) vào các

gi a các m u tín hi u và cho hi u qu t t h n l ng t hóa vô h ng ngay c v i

tr ng h p ngu n tín hi u là ngu n không nh và c l p [57]

Ph n này trình bày v các thu t toán thi t k b ng mã (codebook) cho b

1.3 Các tính ch t và ng d ng c a k thu t VQ ấ ứ ụ ủ ỹ ậ

K thu t VQ thích h p ng d ng trong mã hóa tín hi u t ng t có

t ng quan cao V i gi i h n v th i gian, lu n án ch nghiên c u ng d ng c a

VQ trong l ng t hóa các tham s c a các b mã hóa ti ng nói

K thu t VQ có r t nhi u ng d ng, trong lu n án này s ch c p n ng

d ng ph bi n nh t là trong các k thu t mã hóa ti ng nói t c th p

1.4 Kỹ thu t k t h p mã ngu n và mã kênh – mã ch ng l i không d ậ ế ợ ồ ố ỗ ư

th a ừ

Ph ng pháp thi t k l i b ng mã theo thu t toán LBG, nh ng có tính n

ng truy n

ng không hi u qu , th m chí k t qu ho t ng còn kém h n c khi h th ng không áp d ng ph ng pháp t i u nào

Ph ng pháp s p x p l i th t c a b ng mã codebook t i u, gi m méo tín

hi u gây ra b i nhi u kênh khi truy n qua kênh nhi u Ph ng pháp này th c hi n

n gi n, có tính kh thi cao, không òi h i bi t chính xác m c nhi u c a kênh

truy n nh ph ng pháp COVQ Ngoài ra ph ng pháp IA có th s d ng

nâng c p các h th ng s n có ang s d ng các k thu t l ng t hóa VQ Vì

nh ng c i m nh v y nên lu n án t p trung i sâu nghiên c u và phát tri n

Ch ng này nghiên c u ph ng pháp k t h p mã ngu n và mã kênh s d ng

ph ng pháp t i u hóa vi c x p x p th t c a b ng mã trong b l ng t hóa,

bit c ng nh ph c t p c a b mã hóa và gi i mã d n n không làm t ng

tr mã hóa

d ng nâng c p các h th ng s n có, mà không òi h i ph i thay i c u trúc

Hình 2.1 bi u di n m t quá trình truy n d n c a h th ng s d ng k thu t

Trong ó ( ) là xác su t xu t hi n vect mã và ( , ) là méo (hay kho ng cách) gi a hai vect và Bài toán t ra ây là tìm hoán v sao cho ( )

nh nh t N u duy t h t t t c ! kh n ng thì không kh thi Các ph ng pháp

s h th ng

B c 2 Tìm th t t i

u (Dùng thu t toán IA) ( )

ch s ) cho b ng mã l ng t hóa ch ng này s t p trung nghiên c u các thu t toán IA B c 2

Bài toán IA là bài toán quy ho ch toàn ph ng, nhi m v c a bài toán là tìm

ng chéo và (2) ph ng pháp o kho ng cách (méo) gi a các vect s d ng kho ng cách Euclid SED Nh ng gi thi t h n ch này không hoàn toàn phù h p trong các ng d ng th c t

Trong các thu t toán thì thu t toán mô ph ng luy n kim SA (Simulated

s d ng r ng rãi trong các bài toán t i u nói chung và v n t i u s k t h p

Trong ch ng này lu n án s nghiên c u và xu t thu t toán c i ti n d a trên thu t toán SA cho bài toán gán ch s IA nh m gi m th i gian h i t c a thu t toán và t ng t i u c a k t qu

2.3 Thu t toán mô ph ng luyậ ỏ ện kim SA

các bài toán t i u t h p r i r c Thu t toán mô ph ng quá trình luy n kim, trong

n khi k t tinh t i c u hình tinh th c ng nh t

Tính n ng chính c a gi i thu t là có th thoát kh i c c ti u a ph ng b ng cách cho phép ch p nh n ph ng án kém h n ph ng án hi n t i t ng thêm c

B c 2: Sinh lân c n ng u nhiên , b ng cách ch n m t c p v trí ( , ) ng u

nhiên và hoán i hai v trí này cho nhau trong

Tính ( ) – ( )

If < 0 then else v i xác su t

B c 4: Gi m tham s tr ng thái:

Thu t toán ISA [49] s luôn l u l i ph ng án t t nh t sau m i l n sinh ra lân

m t c p v trí ( , ) ng u nhiên ta ch ch n c p v trí có th t ng u nhiên ng u

nhiên trong kho ng 1 max sinh không trùng l p, ta t o m t hoán v ng u

khi là c c ti u c c b Thu t toán có th ch ng thoát ra kh i b y c c ti u c c

xu t thu t toán c i ti n cho thu t toán SA là MSA Thu t toán MSA v c b n

gi ng thu t toán SA, ch có thay i chính B c 2 và thêm vào B c 6 t i u hóa k t qu , a k t qu cu i v c c ti u a ph ng

Trong ph n này, lu n án phân tích s nh h ng c a các tham s i u khi n

khi n m b o phát huy u th c a thu t toán (thu t toán c n có s vòng l p

l n có th ti p c n các c c ti u a ph ng khi chuy n sang giai o n cu i c a

Xét m t h th ng s d ng k thu t VQ v i s chi u = 4, ngu n tín hi u

t ng quan ng u nhiên Gauss-Markov b c 1 v i h s t ng quan = 0,9 Các

2.4Ghz b ng công c Matlab v i cùng 1 b tham s u vào

2.4.5.2 Th i gian th c hi n thu t toán SA và MSA ờ ự ệ ậ

tham s i u khi n nh trên B ng 2.3 Th i gian trung bình sau 10 l n ch y c a

K t qu mô ph ng cho th y th i gian th c hi n thu t toán MSA gi m áng k

so v i thu t toán SA

Mô ph ng th hai so sánh hi u qu ho t ng c a thu t toán c i ti n MSA

v i thu t toán SA/ISA[28,49] và m t s thu t toán khác: BSA [25], TS [32], PGA [31], MCIAA [30] Các thu t toán gi i cùng m t bài toán IA v i = 64 S vòng

tài li u tham khao t ng ng

bình th p nh t trong các thu t toán M t khác, thu t toán MSA có n nh cao

m i Nh t là trong quá trình cu i c a thu t toán, khi g n 0, r t d x y ra tìm

ki m trùng l p d n n thu h p không gian tìm ki m

Ý t ng là l u l i các ph ng án ã duy t qua trong quá kh vào m t danh sách, g i là danh sách Tabu (Tabu list) Sau ó thu t toán ch ch p nh n nh ng

ph ng án m i không n m trong danh sách c m

Trong [32], các tác gi ã xu t thu t toán TS gi i quy t bài toán IA Thay vì l u l i ph ng án v a duy t qua, thu t toán ch l u m t c p v trí ( , ) i

di n cho s thay i c a ph ng án m i v i ph ng án c Nh v y s ti t ki m

c b nh và các thao tác i v i danh sách c m

C ch này có kh n ng c m nh m nh ng ph ng án không trùng l p Do ó thu t toán s d ng thêm m t c ch là m c k l c, ch p nh n 1 tr ng h p ngo i

l là khi ph ng án m i t t h n ph ng án t t nh t mà thu t toán ã duy t qua thì thu t toán s ch p nh n b t ch p có b c m hay không

c a danh sách c m ch l u m t c p v trí ( , ), danh sách c m c i ti n s l u thêm

c p giá tr ( ( ), ( ))

Khi ki m tra m t lân c n t ng ng v i c p v trí ( , ) có thu c danh sách

c m hay không, thu t toán s so sánh ( , ) v i các m c trong danh sách c m Khi

Hình 2.6 là m t ví d v c ch ho t ng c a danh sách c m c i ti n, v i

i ch c p v trí (2,3) b c m, tuy nhiên v i c ch m i không b c m và tr ng

h p này thu t toán ã không c m nh m m t ph ng án không trùng l p

d ng i u này v i danh sách c m Thay vì c n hai ph n t l u m t c p v trí ta

ch c n l u v trí c a c p v trí ó V i c i ti n này, m i m c c a danh sách c m

s ch còn 3 ph n t là ( , ,1, ,2)

Ngoài vi c gi m kích th c c a danh sách c m, c i ti n này còn gi m kh i

l ng tính toán khi ki m tra m t di chuy n có thu c danh sách c m hay không

C n c vào vi c s d ng c ch ch ng duy t trùng l p và các c i ti n ã trình bày ph n tr c, lu n án xu t thu t toán SA k t h p v i c ch ch ng trùng l p,

g i là thu t toán SATS So v i thu t toán MSA, thu t toán SATS có thêm m t tham s i u khi n là kích th c danh sách c m Tabu là

Lu n án th c hi n hai k ch b n mô ph ng so sánh thu t toán MSA và SATS,

t ng ng v i s l n l p là 434 và 1604 Hai k ch b n này u có s vòng l p

c a các thu t toán khi s vòng l p l n (cho k t qu t i u h n)

10000 l n mô ph ng v i hai k ch b n Trong ó thu t toán SATS luôn cho k t qu

v i giá tr trung bình c a hàm m c tiêu ( ) t nh nh t, ng th i có n nh cao khi có d i giá tr các k t qu ( ) h p nh t (ph n ánh b i l ch chu n c a các giá tr th p)

SA/ISA MSA SATS ( ) trung bình 5,6953 5,6795 5,6702

huy u th trong tr ng h p khi c n t i u k t qu (ch n s b c l p l n) Khi ó giai o n cu i c a thu t toán kéo dài và nh c ch ch ng duy t trùng l p thu t toán có th ti p c n nhi u c c ti u a ph ng d n n có nhi u c h i tìm ra các

ph ng án t t h n

2.6 K t lu n chế ậ ương 2

Ch ng 2 nghiên c u ph ng ph ng pháp IA, ây là m t ph ng pháp k t

h p mã ngu n và mã kênh nh m gi m thi u nh h ng c a nhi u kênh Lu n án

xu t thu t toán c i ti n MSA và SATS c i ti n thu t toán SA trong vi c gi i bài toán ánh ch s IA, ng th i a ra phân tích và bàn lu n v tiêu chí cách

l a ch n các tham s i u khi n Nh vi c gi m kh i l ng tính toán so v i thu t

h p t ng quát, không b ràng bu c b i gi thi t kênh truy n là kênh BSC và

ph ng pháp o méo gi a các vect s d ng kho ng cách SED nh nhi u công trình tr c ó Do ó các thu t toán c i ti n có th ng d ng gi i bài toán IA trong nhi u tr ng h p th c t h n

3.1 Đặt v n ấ đề

H u h t các nghiên c u v k thu t k t h p mã ngu n v i mã kênh tr c ây

u gi thi t kênh truy n là kênh nh phân i x ng BSC, mà không quan tâm n các k thu t i u ch Gi thi t này ch úng khi k thu t i u ch là k thu t i u

ch nh phân (Binary Modulation) ho c v i m t s tr ng h p c bi t nh i u

ch QPSK hay trong tr ng h p i u ki n kênh t t nên các l i h u nh là l i n Trong tr ng h p h th ng s d ng k thu t i u nhi u m c thì gi thi t này ch mang tính g n úng Tr c ây c ng có m t s nghiên c u v k thu t k t h p mã ngu n mã kênh và ph ng pháp i u ch , tuy nhiên h u h t òi h i thay i bi u chòm sao i u ch thành d ng không thông d ng [42,53] ho c ch xét tr ng

h p c bi t khi m t t mã t ng ng v i m t ký t i u ch [54-56] và nh v y

kh n ng ng d ng r t h n ch

ngu n mã kênh và k thu t i u ch s n có gi m thi u nh h ng c a nhi u

không òi h i thay i bi u chòm sao, và có th ông th i t i u vi c truy n

d n cho nhi u t mã Ph ng pháp m i có tính ng d ng và tính kh thi cao

3.2 K t h p mã ngu n và mã kênh trong các h th ng i u ch s nhi u ế ợ ồ ệ ố đ ề ế ố ề

m c b ng phứ ằ ương pháp IA

Xét các h th ng thông tin truy n d n tín hi u t ng t , s d ng l ng t hóa

khung, v trí c a t mã trong khung và chi u dài ký t i u ch

Các t mã và bit

d li u khác

Kênh r i r c không nh DMC

Các t mã và bit d

li u khác sau gi i mã

Kh n ng 1 .

( ) 1,1

( )

1

( ) 1,

Kh n ng 2

( ) 2,

Kh n ng

( ) ,1

( )

bit liên ti p trong khung Kênh truy n trong mô hình này là kênh không nh

Hình 3.2 mô t t t c các kh n ng phân ph i t mã có dài bit vào các

( )

ký t là ( ),1, ( ),2, , ( ), G i là t ng s các kh n ng phân ph i c a t mã vào các ký t , t hình 3.2 ta có th th y giá tr l n nh t c a là Các bit là các bit d li u trong khung nh ng không ph i c a t mã ta ang xét

tính tham s ( , ) ta c n xác nh các xác su t chuy n i t mã cho t t

c các kh n ng phân ph i trên Do ây là kênh DMC nên xác su t chuy n i

, (3-1)

N u các ký t ( ), và ( ), không ch a các bit khi ó xác su t (, ) là xác

hình kênh truy n và k thu t i u ch (các giá tr xác su t chuy n i ký t có th

Xiao và X Dong [51]