Bài viết này trình bày nguyên lí mã hóa thích nghi của kênh truyền vô tuyến số và xây dựng mô hình mô phỏng để tính tốc độ truyền dữ liệu trung bình và hiệu quả sử dụng băng thông kênh truyền.
Trang 1TẠP CHÍ ĐẠI HỌC SÀI GÒN Số 10 - Tháng 6/2012
ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP MÃ HỐ THÍCH ỨNG ĐỘNG ĐỂ TĂNG DUNG LƯỢNG TRUYỀN DỮ LIỆU TRONG
HỆ THỐNG DI ĐỘNG SỐ BĂNG RỘNG
HỒ VĂN CỪU (*) TRẦN QUỐC BẢO (**)
TĨM TẮT
Nghiên cứu kĩ thuật mã hố thích nghi ứng dụng trong hệ thống kênh truyền vơ tuyến
số OFDM để tăng hiệu quả truyền dẫn dữ liệu và nâng cao hiệu quả sử dụng băng thơng kênh truyền vơ tuyến trong thơng tin di động số băng rộng Bài viết này trình bày nguyên lí
mã hố thích nghi của kênh truyền vơ tuyến số và xây dựng mơ hình mơ phỏng để tính tốc
độ truyền dữ liệu trung bình và hiệu quả sử dụng băng thơng kênh truyền.
Từ khố: Giải pháp mã hố, nguyên lí mã hố, truyền dữ liệu.
ABSTRACT
Adaptive code is one scheme of the adaptive systems used in radio fading channels It increases the average capacity of data transmission and is studied for applications of the fourth generation CDMA mobile cellular systems This paper introduces an adaptive code algorithm, the result simulation and effect using bandwidth in channel.
Keywords: Code solution, Code principle, Data transmission
1 NGUYÊN LÍ MÃ HỐ THÍCH NGHI
Ngày nay các hệ thống thơng tin vơ
tuyến số phát triển nhanh chĩng theo
hướng tồn cầu hố và dịch vụ băng rộng
tích hợp cao; trong khi đĩ băng thơng kênh
truyền là nguồn tài nguyên vơ tuyến cĩ giới
hạn do đĩ việc sử dụng hiệu quả băng
thơng kênh truyền vơ tuyến là hướng
nghiên cứu rất quan trọng (*) (**)
Dung lượng kênh truyền theo tiêu
chuẩn Nyquist [1],[7] được xác định theo
cơng thức 2.1:
+
=
N
S W
bps
trong đĩ W: là độ rộng băng tần, C: là dung
(*)
TS, Trường Đại học Sài Gịn
(**) ThS, Bộ Thơng tin Truyền thơng
lượng, S: là cơng suất tín hiệu, N=N 0 W: là
cơng suất nhiễu Dung lượng kênh truyền
C tăng tỉ lệ thuận với độ rộng băng tần W.
Để giảm xác suất thu sai, thì phải thực hiện
việc mã hố kênh, tức là gắn thêm các bit tín hiệu sửa sai vào luồng dữ liệu truyền,
như vậy, tổng số bit tín hiệu cần truyền tại đầu phát tăng lên, cần phải tăng tốc độ
truyền dẫn thì mới truyền hết lượng thơng tin trong một chu kì thời gian Khi tốc độ truyền dẫn tăng lên thì yêu cầu về độ rộng
băng thơng cũng tăng lên, trong khi đĩ băng thơng kênh truyền thì cĩ giới hạn
Hamming chứng minh được xác suất lỗi bit hay tỉ số lỗi bit BER [1],[7] được tính theo cơng thức (2.2):
−
≤
0
min 1
N
E R d Q M
Trang 2Trong đó R c =k n là tỉ lệ mã, M : là
số mức điều chế, d min: là khoảng cách
Hamming tối thiểu
Công thức (2.2) và hình vẽ 2.1, tại một
mức SNR, nếu sử dụng bộ mã hoá có tỉ lệ
mã cao thì tỉ số BER tăng, nếu sử dụng bộ
mã hoá có tỉ lệ mã thấp thì tỉ số BER giảm
Hình 2.1 Đồ thị BER thay đổi theo tỉ số mã hoá, 64PSK, AWGN
Kĩ thuật mã hoá thích nghi ứng dụng
trong hệ thống kênh truyền vô tuyến số
OFDM là điều chỉnh tỉ số mã hoá theo đặc
tính kênh truyền vô tuyến tương ứng với
một yêu cầu về tỉ số lỗi bit BER Khi kênh
truyền bị ảnh hưởng fading sâu, mức tỉ số
SNR của kênh thành phần giảm, tỉ số lỗi
bít BER tăng cao hơn tỉ số lỗi bit BER cho
phép, thì cần giảm tỉ số mã hoá để giảm tỉ
số BER, ngược lại trong điều kiện kênh
truyền ít bị ảnh hưởng fading thì tỉ số SNR
tăng cao, tỉ số lỗi bít BER giảm thấp hơn tỉ
số lỗi bit BER cho phép thì tăng tỉ số mã
hoá, như vậy sẽ làm giảm bớt những tổn
thất về dung lượng truyền của kênh tín hiệu
đầu vào, hiệu năng truyền dẫn trung bình
tăng lên, tỉ số lỗi bit BER trung bình của hệ
thống truyền vẫn được bảo đảm
2 SƠ ĐỒ KHỐI MÃ HOÁ THÍCH NGHI
TRUYỀN VÔ TUYẾN SỐ OFDM
2.1 Sơ đồ khối hệ thống
Sơ đồ hệ thống mã hoá và giải mã thích nghi OFDM được minh họa như hình 3.1
Tại máy phát luồng tín hiệu vào được
phân chia thành N luồng tín hiệu thành
phần, các luồng tín hiệu thành phần được
đưa qua bộ mã hoá theo nhiều tỉ số khác
nhau, bộ điều chế tín hiệu sẽ tạo ra N kí tự
dữ liệu X n , 0≤n≤N-1.
Những mẫu tín hiệu phát S ncủa một kí
tự OFDM trong miền thời gian được tạo ra
từ khối IFFT và phát trên kênh sau phần
mở rộng chu kì để chèn thêm khung thời gian bảo vệ GI, nhằm khắc phục hiện
tượng ISI do trải trễ của pha đinh đa đường
và gắn thêm tín hiệu pilot và thông tin báo
Trang 3HỒ VĂN CỪU - TRẦN QUỐC BẢO
hiệu lọai mã hoá để sử dụng cho việc ước
lượng và điều khiển thay đổi tỉ số mã hoá
theo tỉ số SNR của kênh truyền trong miền
thời gian thực Kênh truyền có đáp ứng xung theo thời gian h( , ) t và nhiễu cộng
AWGN
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống mã hoá thích nghi Adaptive coding -OFDM
Tại máy thu, phần mở rộng chu kì
tương ứng với thời gian bảo vệ được loại
bỏ, tín hiệu pilot được sử dụng để ước
lượng tỉ số SNR và BER, thông tin báo
hiệu được tách ra để thiết lập cấu hình cho
các kênh thành phần Những mẫu tín hiệu
trong miền thời gian nhận được sẽ đưa vào
khối FFT để tạo thành những kí tự dữ liệu
trong miền tần số kí hiệu là R n Đáp ứng
xung của hàm kênh truyền trong miền tần
số H n được xây dựng từ phép biến đổi
Fourier N điểm, tín hiệu thu R n có thể biểu
diễn như sau :
2
(3.2)
trong đó γ là tỉ số SNR tổ ng Nếu không có
sự suy hao tín hiệu nào liên quan hay nhiễu
giao thoa từ những nguồn khác thì giá trị
cho phép xác định được tỉ số lỗi bít
BER của dữ liệu truyền trên sóng mang
thành phần thứ n.
2.2 Ước lượng và dự đoán kênh truyền
Ước lượn g và dự đóan kênh truyền là
sử dụng các mẫu đo cường độ sóng điện từ
thu được trên kênh vô tuyến hiện tại để dự đóan các mẫu tương lai, từ đó đánh gía được mức công suất của kênh Kênh fading
đa đường thường sử dụng phương pháp đánh gía phổ công suất bằng phép tính
Entropy cực đại MEN (Maximum Entropy
Method), đáp ứng của kênh được mô tả như công thức sau:
∑
−
j
j n
j Z d
z H
1
1
1 )
Trong đó d j Z n−jlà các hệ số dự đóan,
p là số mẫu dự đóan Kết quả tính phổ công suất kênh dự đóan là tổ ng của các mẫu dự
đóan như công thức sau:
Kênh truyền
Trang 4= p
j
n j
C
1
1
,
(3.4)
Trong đó C n,là tổ hợp từ p giá trị trước
đó nhân với hệ số dự đóan, hệ số dự đóan
được xác định từ hàm tương quan như
công thức sau:
∑
=
≡
i j i j
i
i
j N y
y
1
1
(3.5)
Trong đó N là số điểm cực, N có giá trị lớn
thì kết quả dự đóan chính xác hơn, từ 3.5
hệ số dự đóan sẽ tính được theo hàm số sau:
∑
Φ
=
j
j k j
1
(3.6) Kết quả dự đóan phổ công suất tín hiệu
được minh họa như hìn h 3.2
Hình 3.2 Đồ thị minh họa kết quả dự đóan công suất tín hiệu kênh truyền Fading
3 MÔ PHỎNG
3.1 Mô hình mô phỏng
Mô hình bộ mô phỏng hệ thống kênh truyền tín hiệu OFDM như Hình 4.1
Hình 4.1 Mô hình bộ mô phỏng mã hoá thích nghi OFDM.
Trang 5HỒ VĂN CỪU - TRẦN QUỐC BẢO
Trong mô hình này hai máy thu phát
đang liên lạc với nhau, sử dụng kết quả dự
đoán tỉ lệ mã hoá theo tỉ số SNR trong kí
hiệu OFDM mới nhận được, để xác định
kiểu mã hoá thích hợp cho những sóng
mang thành phần trong những kí hiệu
OFDM kế tiếp
Sử dụng mã xoắn (Convolutional
Code) [1],[4],[5],[7] để áp dụng trong mô
hình mô phỏng Tỉ số mã hoá Rcđược chọn
là các giá trị 1/2, 1/3, 1/4, 1/5 Trong đó
các thông số ước lượng của kênh, có tính
ngẫu nhiên, như tỉ số SNR, được tạo ra
theo dạng ma trận có nhiều giá trị cho các thời điểm khác nhau trong miền tần số Dựa trên các thông số kênh, các giải thuật
mã hoá thích nghi sẽ ấn định tất cả các thông số cho bộ mã hoá thích nghi OFDM Tại bộ thu tín hiệu thu được đưa qua khối biến đổi nối tiếp sang song song, qua bộ biến đổi FFT, giải điều chế, giải mã hoá kênh, tỉ số BER sẽ được xác định nhờ bộ
so sánh lỗi bit và tính tỉ số lỗi bit BER Trong bộ mô phỏng có sử dụng các thông
số kênh truyền theo mô hình kênh AWGN
và mô hình kênh HiperLAN/2 [2]
3.2 Giải thuật lựa chọn tỉ lệ mã hoá theo tỉ số SNR
Hình 4.2 Thiết lập tỉ lệ mã hoá của s óng mang thành phần theo tỉ số SNR
Cấu hình của từng sóng mang thành
phần được thiết lập dựa trên đánh giá tình
trạng kênh truyền theo tỉ số SNR Do đó,
cần phải chia các giá trị về SNR thành 4
dải thành phần, kí hiệu: SNR0, SNR1,
SNR2 và SNR3, mỗi dải được gán một tỉ lệ
mã hoá tương ứng Nếu SNR nhỏ hơn
SNR0, thì không phát dữ liệu Nếu SNR
nằm trong dải từ SNR0 đến SNR1 thì sử dụng mã hoá tỉ lệ 1/5 Nếu SNR nằm trong dải từ SNR1 đến SNR2, thì sử dụng mã hoá tỉ lệ 1/4 Nếu SNR nằm trong dải từ
SNR2 đến SNR3 thì sử dụng mã hoá tỉ lệ
1/3 Nếu SNR lớn hơn SNR3 thì sử dụng
mã hoá tỉ lệ 1/2
Trang 6Bảng 1 Thiết lập tỉ lệ mã hoá của sóng mang thành phần theo tỉ số SNR tương ứng với tỉ
số lỗi bit BER =10-4trên kênh AWGN
Đoạn Tỉ số SNR(dB) Tỉ lệ mã hoá Tỉ số bit dữ liệu truyền
SNR trung bình 12.091
Nhận xét:
Tại thông số chất lượng BER =10-4,
trong điều kiện dữ liệu mô phỏng giống
nhau như bảng 1 và bảng 2, t hì yêu cầu về
tỉ số SNR của kênh truyền HiperLAN/2, (9
đường trễ) cao hơn kênh truyền AWGN (1 đường trực tiếp) không nhiều, độ lợi năng lượng trung bình là 0.6dB Nhưng nếu gần đúng hoá tỉ số SNR đến 1 số lẻ thì kết gần
giống nhau
Bảng 2 Thiết lập tỉ lệ mã hoá của sóng mang thành phần theo tỉ số SNR tương ứng với tỉ
số lỗi bit BER =10 -4 , kênh Fading multi-path, mô hình HiperLAN/2, 9 đường trễ
Đoạn Tỉ số SNR(dB) Tỉ lệ mã hoá Tỉ số bit dữ liệu truyền
SNR trung bình 12.1512
3.3 Kết quả mô phỏng
4.3.1 Các kết quả mô phỏng kênh truyền AWGN tương ứng với điều chế 32-QAM,
NFFT = 512
Hình 4.3 Đặc tính BER của hệ thống mã hoá cố định trên kênh AW GN tương ứng với điều
chế 32-QAM, NFFT = 512
Trang 7HỒ VĂN CỪU - TRẦN QUỐC BẢO
Hình 4.4 Tỉ lệ mã R c thay đổi theo tỉ số SNR và BER trên kênh AWGN, của hệ thống mã
hoá thích nghi OFDM với 32QAM, NFFT=512, BER ngưỡng = 10 -4
Hình 4.5 Đặc tính BER của mã hoá thích nghi OFDM trên kên h AWGN tương ứng với
điều chế 32-QAM, NFFT = 512, với BER ngưỡng = 10 -4
Trang 81.3.2 Các Kết quả mô phỏng trên kênh Fading Multi-path mô hình HiperLAN/2
Hình 4.6 Đặc tính BER của hệ thống mã hoá cố định trên kênh Fading multi -path,
mô hình HiperLAN/2, 9 đường trễ, 16-QAM, NFFT = 64
Hình 4.5 Tỉ lệ mã R c thay đổi theo tỉ số SNR và BER của hệ thống mã hoá thích nghi trên
kênh Fading multi-path, mô hình HiperLAN/2, 9 đường trễ, 16-QAM, NFFT = 64,
với BER ngưỡng = 10 -4
Trang 9HỒ VĂN CỪU - TRẦN QUỐC BẢO
Hình 4.6 Đặc tính BER của mã hoá thí ch ứng trên kênh Fading multi -path, mô hình
HiperLAN/2, 9 đường trể, 16QAM, NFFT64, với BER ngưỡng 10 -4
3.4 Đánh giá bàn luận
Bảng 3 Bảng tổng hợp kết quả mô phỏng
Kênh Rccố định Kênh mã hoá thích nghi Độ gia tăng tốc độ dữ liệu truyền
Tỉ lệ
mã
Tỉ lệ
bit/Sybol
Tỉ lệ mã trung bình
Tỉ lệ bit/Symbol trung bình
Mô hình kênh vô tuyến OFDM, kênh AWGN tương ứng với điều chế 32 -QAM, NFFT =
512 SNR=16.8dB, BER=1,2.10-5 500000 bit, 50 sample ước lượng
1/3 0,33 1/2,6 0,38 1.15
Mô hình kênh vô tuyến OFDM, Fading multi-path, mô hình HiperLAN/2, 9 đường trễ,
điều chế 16-QAM, NFFT =64 SNR=11.95dB, BER=8,5.10-6 500000 bit, 50 sample
ước lượng
1/4 0,25 1/3,12 0.32 1.28
Từ kết quả mô phỏng trong các hình
4.3, 4.4, 4.5 khi phân tích cùng loại mô
hình kênh truyền AWGN, điều chế
32-QAM, 512- FFT = 512, cho thấy khi cùng
một giá trị SNR bằng 16,8dB, tỉ số lỗi BER
bằng 1,2.10-5, hệ thống sử dụng mã cố định
tương ứng với giá trị 1/3 (0,33), trong khi
đó hệ thống sử dụng mã thích nghi cho tỉ
số mã hoá trung bình là ½,6 (0,38), độ lợi
tốc độ truyền dữ liệu của mô hình mã hoá
thích nghi tăng 1,15 lần so với mô hình sử
dụng mã hoá cố định Từ kết quả mô
phỏng trong các hình 4.6, 4.7, 4.8 khi phân tích cùng loại mô hình kênh truyền vô
tuyến OFDM, kênh truyền Fading multi-path, mô hình HiperLAN/2, 9 đường trể,
điều chế 16-QAM, NFFT =64 SNR=11.95dB, BER=8,5.10-6.500000 bit,
Trang 1050 sample ước lượng, hệ thống sử dụng mã
cố định tương ứng với giá trị 1/4 (0,25),
trong khi đó hệ thống sử dụng mã thích
nghi cho tỉ số mã hoá trung bình là 1/3,2
(0,32) Độ lợi tốc độ truyền dữ liệu của mô
hình mã hoá thích nghi tăng 1,28 lần so với
mô hình sử dụng mã hoá cố định
5 KẾT LUẬN
5.1 Ý nghĩa khoa học
Khi xem xét kênh truyền vô tuyến
OFDM trên cùng tham số kênh truyền thì
hệ thông mã hoá thích nghi sẻ có tốc độ
truyền dữ liệu trung bình cao hơn hệ thống
sử dụng cố định một tỉ số mã hoá kênh,
điều này khẳng định được hiệu quả sử
dụng băng thông của kênh truyền vô tuyến
thích nghi OFDM cao hơn so với hệ thống
mã hoá cố định Chương trì nh mô phỏng kênh truyền vô tuyến thích nghi được thiết
kế theo hệ thống có thể mở rộng cho nhiều
ứng dụng khác nhau và khảo sát trên nhiều
tham số của kênh truyền
5.2 Hướng nghiên cứu tiếp theo
Nghiên cứu các phương pháp mã hoá thích nghi kết hợp với phư ơng pháp điều chế thích nghi để tối ưu hoá mô hình kênh thích nghi OFDM-CDMA
Nghiên cứu các kĩ thuật ước lượng để tối ưu mô hình kênh MIMO ứng dụng trong OFDM-CDMA
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Đặng Văn Chuyết và Nguyễn Anh Tuấn, (1998), “Cơ sở lí thuyết thông tin”, Nxb Giáo
dục
2 Đào Ngọc Chiến; Nguyễn Văn Đức, Vũ Văn Yêm, Nguyễn Quốc Khương, Nguyễn
Trung Kiên (2006), "Thông tin vô tuyến", Kĩ thuật thông tin số, tập 4, Nxb Khoa học
và Kĩ thuật, Hà Nội
3 Nguyễn Phạm Anh Dũng, Phạm Khắc Kỷ, Hồ Văn Cừu (2004), “Ứng dụng kĩ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM trong thông tin di động CDMA,” Trang 33
-40, Chuyên san các công trình nghiên cứu - Triển khai viễn thông và công nghệ thông tin số 12, tháng 8- 2004, Bộ Bưu Chính Viễn thong
4 Anderson J.B, (1999), “Digital Transmission Engineering,” Frentice Hall, New York.
5 A.J.Viterbi (1967), “Error bounds for convolutio codes and an asymptotically
optimum decoding”, IEEE communication Magatine, Apr 1967.
6 D Lim and L Hanzo (August 1999), “Analysis of a Multicarrier DS-CDMA Code – Acquistion system, IEEE Transactionson Communications, Vol 47, No 8, pp 1227-1233
7 Proakis J.B (1995), “Digital Communication 3nd Edition,” McGraw-Hill, New York.
8 J Torrance, (1997), “Adaptive Full Response Digital Modulation for Wireless Communications Systems” PhD thesis, Dept of Electronics and Computer Science,
Univ of Southampton, UK
* Nhận bài ngày 31/1/2012 Sữa chữa xong 14/6/2012 Duyệt đăng 20/6/2012