Bài báo này trình bày về hệ thống truyền thông số qua môi trường truyền dẫn vô tuyến có fading Rayleigh, các kỹ thuật xáo trộn và hệ thống sử dụng kỹ thuật mã hóa kết hợp với xáo trộn bít, thực hiện mô phỏng hệ thống để khẳng định việc kết hợp mã hóa và xáo trộn sẽ nâng cao hiệu quả của hệ thống truyền dẫn vô tuyến.
Trang 1HIỆU QUẢ CỦA VIỆC KẾT HỢP XÁO TRỘN VÀ MÃ HÓA
TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN
Trần Anh Thắng * , Phan Thanh Hiền
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên
TÓM TẮT
Môi trường truyền dẫn của hệ thống thông tin vô tuyến rất phức tạp và có rất nhiều các yếu tố ảnh hưởng như fading, suy hao , làm cho chất lượng cũng như độ tin cậy của hệ thống suy giảm Phương pháp mã hóa kênh (mã hóa sửa lỗi hướng đi) là một kỹ thuật để nâng cao chất lượng của
hệ thống, nhưng nếu ta kết hợp thêm những kỹ thuật khác sẽ cho phép nâng cao hơn nữa khả năng truyền dẫn Bài báo này trình bày về hệ thống truyền thông số qua môi trường truyền dẫn vô tuyến
có fading Rayleigh, các kỹ thuật xáo trộn và hệ thống sử dụng kỹ thuật mã hóa kết hợp với xáo trộn bít, thực hiện mô phỏng hệ thống để khẳng định việc kết hợp mã hóa và xáo trộn sẽ nâng cao hiệu quả của hệ thống truyền dẫn vô tuyến
Từ khóa: Mã hóa kênh, xáo trộn, truyền dẫn vô tuyến, kết hợp mã hóa và xáo trộn, kênh Rayleigh
GIỚI THIỆU CHUNG*
Trong tất cả các hệ thống thông tin, hai tiêu
chí quan trọng cần hướng tới là nhanh chóng
và chính xác, nghĩa là khi thiết kế, xây dựng
hay vận hành một hệ thống thông tin, vấn đề
cần phải quan tâm hàng đầu là tốc độ truyền
tin và khả năng kiểm soát lỗi thông tin Các
hệ thống thông tin thực tế thường có kênh
truyền với băng thông giới hạn, làm hạn chế
tốc độ truyền và bên cạnh đó, các loại tạp
nhiễu (tạp âm Gauss, fading, .) gây méo tín
hiệu, có thể dẫn đến gây lỗi thông tin Đấy là
những nhân tố làm ảnh hưởng xấu đến các
tiêu chí nói trên [1] Chính vì vậy các nghiên
cứu để khắc phục các ảnh hưởng không mong
muốn do kênh truyền, do thiết bị nhằm mục
đích nâng cao tốc độ cũng như độ tin cậy đã
được đề ra Một trong những biện pháp dùng
để kiểm soát lỗi bit, tăng độ tin cậy của thông
tin nhận được tại đầu thu của hệ thống thông
tin là dùng mã chống nhiễu (chống lại tác
động của can nhiễu) hay còn gọi là mã kênh
Tuy nhiên, tính chất điển hình của kênh vô
tuyến là fading lựa chọn tần số, khi có hiện
tượng fading sâu sẽ gây nên số bít lỗi xuất
hiện thành một cụm, được gọi là lỗi cụm
Trong các hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật
truyền phát OFDM (Orthogonal Frequency
Division Multiplexing), nhìn chung là các
sóng mang phụ của tín hiệu OFDM thường có
*
Tel: 0913 567770, Email: trananhthang@tnut.edu.vn
biên độ khác nhau, vì thế khi có hiện tượng fading sâu ở trong phổ tần có thể gây nên mất khả năng tái tạo một nhóm các sóng mang phụ, điều đó cũng gây nên lỗi cụm Hầu hết
các mã sửa lỗi trước (FEC: Forward Error
Correction) chỉ sửa được một số ít lỗi mà
không thể sửa được các lỗi cụm Do đó, để khắc phục tác động của fading, có thể dùng phương pháp phân tập thời gian bằng cách sử
dụng bộ xáo trộn (interleaver) Dãy bit truyền
được xáo trộn ngẫu nhiên tại đầu phát, các
cụm lỗi do fading gây nên sẽ được phân tán ra thành các lỗi đơn nhờ bộ giải xáo trộn tại đầu thu, hoạt động theo quy tắc ngược lại với bộ xáo trộn ở đầu phát Chính vì vậy, việc kết hợp mã hóa với xáo trộn cho hệ thống vô tuyến sẽ nâng cao được độ tin cậy của tuyến truyền dẫn
HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SỐ VỚI MÃ HÓA KÊNH VÀ XÁO TRỘN
Hệ thống thông tin số với mã hóa kênh
Hình 1 mô tả hệ thống thông tin số đơn giản Thông tin đầu vào dạng số hay tương tự (cần
đưa qua bộ biến đổi A/D) tới bộ mã hoá
nguồn, có chức năng cắt bỏ các bit dư thừa hay nén thông tin nhằm giảm độ rộng phổ của
dãy bit u t đưa tới bộ mã hoá kênh Bộ mã hoá
kênh tạo dãy bit mã c t bằng cách thêm các bit kiểm tra để phát hiện lỗi và sửa lỗi tại đầu thu Sau đó bộ điều chế sẽ tạo các tín hiệu dạng sóng để có thể truyền qua kênh thông tin Tại đầu thu, thực hiện các quá trình ngược
Trang 2lại với đầu phát Tín hiệu thu từ kênh truyền
qua bộ giải điều chế thành dãy bit c ˆt đưa tới
bộ giải mã kênh, dấu mũ ở đây thể hiện rằng
trong đó có thể một số bít bị lỗi do tác động
của nhiễu trên kênh truyền Nhờ có bộ giải
mã kênh, dãy bit ˆu tại đầu ra có tỉ lệ lỗi bit t
(BER) nhỏ hơn so với BER của dãy c ˆt Sau
đó qua bộ giải mã nguồn thành dạng thông tin
đưa tới bộ nhận tin
Kênh truyền là môi trường vật lý cho phép
truyền tín hiệu từ đầu phát đến đầu thu Do
tác động của nhiễu tạp trên đường truyền, tín
hiệu đến đầu thu thường bị méo dẫn tới hậu
quả là dãy bit thu có thể bị lỗi, tức là dãy bit
ra u ˆt có thể khác so với dãy bit vào u t ở một
số vị trí bit Các yếu tố tác động gây méo tín
hiệu điển hình là nhiễu AWGN và fading Khi
chỉ xét tác động của tạp âm AWGN thì kênh
truyền được gọi là kênh AWGN hay kênh
Gauss vì đây là tạp âm có hàm mật độ xác
suất phân bố chuẩn (phân bố Gauss)
Hệ thống thông tin số dùng mã hóa kênh
kết hợp với xáo trộn
Trong sơ đồ này, các bít đầu ra của máy mã
nhị phân (dãy ct) sẽ được xáo trộn vị trí
(thành dãy vt) trước khi ánh xạ vào tập tín
hiệu S Tín hiệu truyền là một tín hiệu phức
( )
µ
=
s v trong không gian tín hiệu S đã
cho Ở đây, hàm µ thể hiện quy tắc ánh xạ
giữa tập các nhóm m bit với tập các điểm
trong chòm sao tín hiệu Ở đầu thu, tín hiệu
nhận được là rt = h st t + nt, trong đó ht là hệ
số fading Giả thiết kênh fading chậm thì h t
không đổi trong suốt khoảng thời gian một
symbol (nên có thể bỏ chỉ số t) và có thể ước
lượng được hệ số này tại đầu thu nt là tạp
âm Gauss trắng chuẩn cộng tính, có mật độ
phổ công suất một bên là N0
Tại phía thu, sau khi giải điều chế, chuỗi bít sẽ
được giải xáo trộn trước khi giải mã tín hiệu
CÁC KỸ THUẬT XÁO TRỘN BÍT
(INTERLEAVING)
Xáo trộn là việc sắp xếp có chu kỳ ký tự
(hoặc bít) được truyền (L) Các ký tự (bit)
tương ứng được sắp xếp lại bởi các bộ giải
xáo trộn tại phía thu Xáo trộn được sử dụng
để phân tán các lỗi cụm, khi các cụm lỗi được
tách biệt một khoảng cách dài đối với chu kỳ của bộ xáo trộn, chúng có thể được phân bố
đồng đều hơn theo thời gian (hay rộng hơn
kích thước) bởi các bộ giải xáo trộn tại phía thu Sự phân bố của các lỗi cho khả năng hiệu quả đối với mô hình thực tế của các bộ mã hóa đầu vào (mã turbo) và mã hóa kênh như
mô hình kênh không nhớ (BSC: Binary Symmetric Channel - kênh nhị phân đối xứng, DMC: Discrete Memoryless Channel - kênh rời rạc không nhớ) hoặc kênh khác mà kết quả ký tự đầu ra là độc lập với nhau (kênh không nhớ)
Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống thông tin số đơn giản
Hình 2: Hệ thống thông tin số kết hợp xáo trộn
Định nghĩa 1: (Chiều sâu của xáo trộn) chiều
sâu J của một xáo trộn được định nghĩa là sự
tách biệt tối thiểu giữa bất kỳ hai ký tự tại đầu
ra của xáo trộn mà tại đầu vào của xáo trộn
đó, chúng là 2 ký tự liền kề nhau
Độ sâu của một xáo trộn có ý nghĩa quan
trọng đối với cụm các lỗi tại đầu vào của bộ giải xáo trộn tại phía thu Nếu một cụm lỗi có khoảng thời gian ít hơn so với độ sâu, thì 2
ký tự bị ảnh hưởng bởi cụm lỗi đó không thể liền kề nhau sau khi giải xáo trộn
Trang 3Định nghĩa 2: (Chu kỳ của một xáo trộn) Chu
kỳ L của một xáo trộn là khoảng thời gian
ngắn nhất mà các thuật toán sắp xếp lại được
sử dụng lặp đi lặp lại ở các bộ xáo trộn
Về cơ bản, chu kỳ được thiết lập bằng cách
mô tả chi tiết của bộ xáo trộn và thước đo
chiều dài của một khối các ký hiệu đầu vào
mà bộ xáo trộn được áp dụng Bộ xáo trộn
hoạt động lặp lại với cùng một thuật toán dựa
trên các khối một cách lần lượt của L ký tự
Thường kỳ chu kỳ của bộ xáo trộn được chọn
là bằng với chiều dài khối của một mã hóa
đầu ra khi các mã khối được sử dụng trong
kết nối nối tiếp
Xáo trộn khối (block interleaving)
Đối với xáo trộn khối, các bít đầu vào xáo
trộn thường được tổ chức thành một khối ghi
vào bộ đệm (hình 3), ở đó các bít đầu vào
được viết vào lần lượt từng cột còn tại đầu ra
thì các bít được đọc thành từng hàng Bảng
dưới đây là một ví dụ trong việc xáo trộn bít
Các bít đầu vào (khối 16 bít) được lần lượt
viết vào từng cột, tại đầu ra các bít được đọc
theo hàng lần lượt là: 0, 4, 8, 12, 1, 5, 9, 13, 2,
6, … Chiều sâu bộ xáo trộn này là J = 4 Chu
kỳ L = 4×4 = 16
0 4 8 12
1 5 9 13
2 6 10 14
3 7 11 15
Hình 3: Bộ đệm dùng để ghi và đọc trong xáo
trộn khối
Bộ giải xáo trộn được đặt ở phía thu và nhận
các bít đưa đến từ bộ giải điều chế và viết
chúng vào các bộ đệm theo nguyên tắc ngược
với bộ xáo trộn: ghi vào theo hàng và đọc ra
theo cột Bộ xáo trộn này đôi khi được gọi là
bộ xáo trộn khối cổ điển
Đối với bộ xáo trộn khối cổ điển, một cụm
của các ký tự bị lỗi B sẽ được phân bố khá
đồng đều trên J khối ký tự bởi quá trình giải
xáo trộn tại máy thu Nếu đây là chỉ là cụm
lỗi trong tổng số L ký tự nhận được và độ dài
khối ký tự là bằng với chiều dài của một từ
mã cho một mã khối, khi đó bộ giải mã đầu ra
với giải mã quyết định cứng có thể sửa được
khoảng J các ký hiệu bị lỗi Nếu chiều sâu J
càng lớn đồng nghĩa với bộ nhớ cần lớn hơn
và độ trễ lớn hơn nhưng hiệu quả lại đạt được nhiều hơn
Xáo trộn xoắn (Convolutional Interleaving)
Xáo trộn xoắn là kỹ thuật sử dụng các khâu trễ trong việc tạo các dãy xáo trộn, vì vậy nó luôn có ít nhất một khâu trễ trong truyền dẫn
So với xáo trộn khối, xáo trộn xoắn có thể cho phép giảm sự trễ (do quá trình ghi và đọc vào/ra bộ nhớ) và số lượng của bộ nhớ cho việc hoạt động với một độ sâu J đã cho
Bộ xáo trộn xoắn còn được gọi là bộ xáo trộn tam giác cho các trường hợp đặc biệt của xáo trộn xoắn, khi các phần tử trễ D được sắp xếp
là một ma trận đường chéo tăng hoặc giảm như được minh họa tại hình 4 Các phần tử trễ
D (hoặc các bộ nhớ) được tổ chức trong một cấu trúc hình tam giác ở cả bộ xáo trộn và bộ giải xáo trộn Các ký tự (hoặc bit) sẽ đi vào
bộ xáo trộn tam giác từ bên trái với các ký tự nối tiếp được định vị theo chu kỳ tới mỗi 1 trong 3 đường Chuyển mạch đầu vào và chuyển mạch đầu ra cho việc xáo trộn được
đồng bộ, vì vậy ở vị trí trên cùng, ký tự sẽ được truyền ngay lập tức đến đầu ra, nhưng
tại vị trí thứ 2, ký tự sẽ được giữ lại một nhịp
và sẽ được truyền ra tại nhịp tiếp theo Cuối cùng, các ký tự hàng dưới cùng trải qua hai khâu trễ trước khi tới đầu ra chuyển mạch Bộ giải xáo trộn hoạt động theo cách tương tự, nhưng với các ký tự không bị giữ chậm tại phía phát thì lại được giữ chậm 2 nhịp tại phía thu, các ký tự ở giữa (thứ 2) vẫn được giữ chậm 1 nhịp và ký tự ở dưới cùng (được giữ chậm 2 nhịp tại phía phát) thì không bị giữ chậm tại phía thu Rõ ràng tất cả các ký tự sau khi trải qua hai bộ xáo trộn và giải xáo trộn
đều được giữ chậm 2 chu kỳ Bất kỳ ký tự
liên tiếp tại đầu vào đều có ít nhất 3 ký tự từ các khối khác của các đầu vào khác chen vào giữa như minh họa trong hình 4 và ta có chiều sâu là J = 4
Bộ xáo trộn tam giác đòi hỏi chỉ nhiều nhất là 1/4 bộ nhớ và chính xác là 1/2 khâu trễ so với
bộ xáo trộn khối cổ điển Trong bộ xáo trộn hình tam giác, chu kỳ L có thể được thiết lập bằng với chiều dài từ mã Chu kỳ này không dài bằng giá trị của K và J là trong xáo trộn khối Vì chu kỳ ngắn hơn, việc đồng bộ hóa cho xáo trộn xoắn đòi hỏi ít hơn xáo trộn khối
Trang 4Hình 4: Xáo trộn và giải xáo trộn xoắn
Xáo trộn ngẫu nhiên
Mục tiêu chính của xáo trộn ngẫu nhiên là để
tạo ra một khối rất dài cho mã kết nối nối tiếp
khi được xem như là một mã duy nhất Các
mã được lựa chọn ngẫu nhiên, miễn là chiều
dài khối là rất dài, thường có thể bằng dung
lượng Xáo trộn ngẫu nhiên sẽ thiết lập các
phần tử ngẫu nhiên trong thiết kế mã để
không là gia tăng độ phức tạp, mô phỏng sử
dụng giải mã lặp của hai mã xen kẽ Số lượng
các cách thiết kế chủ yếu là giảm chiều dài từ
mã, độ dài bộ xáo trộn và mô hình của các sự
kiện lỗi có khoảng cách thấp sẽ chỉ có thể xảy
ra khi hai mã là thích hợp trong mã turbo sẽ
được giới thiệu ở bài báo khác Phần này chỉ
trình bày kỹ thuật xáo trộn
Bộ xáo trộn giả ngẫu nhiên
Bộ xáo trộn giả ngẫu nhiên sử dụng các chuỗi
nhị phân giả ngẫu nhiên (PRBS-
pseudo-random binary sequence) Chuỗi này được
dựa trên một lý thuyết đa thức có độ dài cực
đại Bậc ν của đa thức được chọn để với số
học nhị phân nó là số nguyên tố Mạch như
vậy (nếu khởi tạo với một điều kiện ban đầu
khác không) sẽ tạo ra một chuỗi định kỳ 2ν -
1 mà như vậy, nhất thiết phải bao gồm tất cả
các mẫu nhị phân khác không có chiều dài ν
bít Chu kỳ của bộ xáo trộn có thể không lớn
hơn so với chu kỳ của PRBS
Bộ xáo trộn giả ngẫu nhiên sử dụng một
PRBS để xác định vị trí đầu ra của mỗi ký
hiệu (hay bít) đầu vào Vì vậy, mỗi bit đầu ra
tiếp theo của PRBS kết hợp với ν-1 ký tự cuối
cùng, như vậy các bít (bít thứ k của đầu vào
bộ xáo trộn) cụ thể đó sẽ được xác định một
địa chỉ (π (k)) khi ra khỏi bộ xáo trộn Nếu
một địa chỉ vượt quá chu kỳ của bộ xáo trộn
(khi L < 2ν-1), khi đó nó được loại bỏ trước
khi sử dụng, và mạch PRBS sẽ quay vòng trở
lại Bộ giải xáo trộn có thể tạo chuỗi giống bộ xáo trộn, nó trích xuất ký tự thứ (π (k)) và khôi phục nó vào vị trí k Rõ ràng, xáo trộn giả ngẫu nhiên tương ứng với khối xáo trộn, trừ khi chu kỳ chính xác là L = 2ν - 1, trong trường hợp này, cấu trúc có thể có việc thực hiện thay thế với hệ không nhớ và có trễ CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Các kết quả mô phỏng được thực hiện với kỹ thuật xáo trộn khối (chiều sâu J=8 và chu kỳ
L bằng độ dài chuỗi mô phỏng) và xáo trộn xoắn (với 8 hàng hay J=9, L bằng độ dài chuỗi mô phỏng) kết hợp với mã xoắn tốc độ
½ và tốc độ 2/3 với điều chế 16QAM và kênh truyền fading Rayleigh theo mô hình Jakes [3] với cách thực hiện mô phỏng được thực hiện như trong [4] với thông số là 35 tia, thời
gian tồn tại xung Ts=10 -5 s, tần số doppler f D
= 10Hz
Các kết quả mô phỏng cho tại hình 5 để đánh giá nguyên lý truyền dẫn với điều chế 16QAM qua kênh fading Rayleigh và khi sử dụng mã kênh với tốc độ mã hóa ½ và tốc độ 2/3
Hình 5: Hệ thống với mã xoắn tốc độ ½
và tốc độ 2/3
Hình 6 thể hiện việc kết hợp xáo trộn khối kết hợp với mã kênh có tốc độ mã hóa 1/2 và 2/3; hình 7 thể hiện việc kết hợp xáo trộn xoắn kết hợp với mã kênh có tốc độ mã hóa 1/2 và 2/3 cùng các thông số truyền dẫn như nhau
Hình 6: Hệ thống kết hợp xáo trộn khối với mã xoắn
10 -5
10-4
10 -3
10 -2
10-1
100
EbNo
Simulation 16QAM over Rayleigh Channel: Theory and coding
Coderate=1/2 Theory
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
EbNo
Simulation 16QAM over Rayleigh Channel with Interleaver and coding
Coderate=1/2
Coderate=1/2, Block Interleaving
Trang 5Hình 7: Hệ thống kết hợp xáo trộn xoắn với mã xoắn
KẾT LUẬN
Các kết quả mô phỏng cho ta thấy, khi tỷ số
Eb/No đạt giá trị nhất định thì các kết quả khi
sử dụng mã hóa tốt hơn nhiều so với không
mã hóa và kết quả mã hóa có tốc độ 2/3 đạt
kết quả càng tốt khi tỷ số Eb/No càng cao
Khi kết hợp mã hóa và xáo trộn, kết quả mô
phỏng phản ánh đúng cơ sở lý thuyết và các
đánh giá ban đầu của bài báo đó là khi kết
hợp mã hóa và xáo trộn sẽ cho kết quả tốt hơn
khi chỉ có mã hóa Kết quả mô phỏng khi kết
hợp xáo trộn và mã hóa cho thấy hiệu quả kết
hợp thể hiện vượt trội đối với tốc độ mã hóa ½
Bài báo thể hiện một hệ thống thông tin số sử
dụng mã hóa kênh để tăng độ tin cậy của
đường truyền qua kênh vô tuyến có fading
Rayleigh, môi trường phức tạp nhất trong truyền thông vô tuyến, và kết hợp giữa mã hóa và xáo trộn bít cho phép nâng cao chất lượng truyền dẫn Trong hệ thống truyền dẫn, việc kết hợp giữa mã hóa, xáo trộn đã thể hiện
ở trên cho thấy chất lượng được cải thiện rõ
so với khi không kết hợp Nếu kết hợp giữa xáo trộn, mã hóa và điều chế sẽ cải thiện hơn nữa chất lượng của hệ thống và nội dung đó sẽ
được tác giả trình bày trong một bài báo khác
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Viterbi, “Approaching the Shannon limit: Theorist’s dream and practitioner’s challenge,” in
Proc 2nd Eur Workshop on Mobile/Personal Satcoms, London, U.K., 1996, pp 1–11
[2] S Lin, J Daniel, and J Costello, Error control coding Englewood Cliffs, New Jersey:
Prentice-Hall, Inc., 1983 [3] W.C.Jakes, Microwave Mobile Communications Piscataway, NJ: IEEE Press,1994
[4] Trần Xuân Nam, Mô phỏng các hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng matlab, Học viện Kỹ
thuật Quân sự
SUMMARY
THE EFFECT OF THE COMBINATION OF ENCODE AND INTERLEAVING
IN WIRELESS TRANSMISSION SYSTEM
Tran Anh Thang * , Phan Thanh Hien
College of Technology - TNU
Environmental transmission of radio communication systems are complex and there are many factors affecting such as fading, attenuation, etc , making the quality and reliability of the system
decreased Channel coding (FEC: Forward Error Correction) is a technique to improve the quality
of the system, but if we incorporate more other techniques will allow more power to be transmitted This paper presents a digital communication system through radio transmission environment with Rayleigh fading, the interleaving technique and system use encoding techniques combined with bit interleaving and this system is simulated to enhance the effectiveness of wireless transmission systems
Keywords: channel coding, interleaving, wireless transmission, the combination of encode and
interleaving, Rayleigh channels
Ngày nhận bài:30/10/2012, ngày phản biện:08/11/2012, ngày duyệt đăng:10/12/2012
*
Tel: 0913 567770, Email: trananhthang@tnut.edu.vn
10-5
10-4
10 -3
10-2
10-1
10 0
EbNo
Simulation 16QAM over Rayleigh Channel with Interleaver and coding
Coderate=1/2
Coderate=1/2, Convolutional Interleaving