Ứng dụng giải pháp mã hoá thích ứng động để tăng dung lượng truyền dữ liệu trong hệ thống di động số băng rộng

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. Từ khoá: Giải pháp mã hoá, nguyên lí mã hoá, 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 HOÁ THÍCH NGHI Ngày nay các hệ thống thông tin vô tuyến số phát triển nhanh chóng theo hướng toàn cầu hoá và dịch vụ băng rộng tích hợp cao; trong khi đó băng thông kênh truyền là nguồn tài nguyên vô tuyến có giới hạn do đó việc sử dụng hiệu quả băng thông kênh truyền vô tuyến là hướng nghiên cứu rất quan trọng. (*) (**) Dung lượng kênh truyền theo tiêu chuẩn Nyquist [1],[7] được xác định theo công thức 2.1:    += N SWbpsC 1log)( 2 (2.1) trong đó W: là độ rộng băng tần, C: là dung (*)TS, Trường Đại học Sài Gòn (**)ThS, Bộ Thông tin Truyền thông lượng, S: là công suất tín hiệu, N=N0W: là công 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 hoá 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 thông tin trong một chu kì thời gian. Khi tốc độ truyền dẫn tăng lên thì yêu cầu về độ rộng băng thông cũng tăng lên, trong khi đó băng thông kênh truyền thì có giới hạn. Hamming chứng minh được xác suất lỗi bit hay tỉ số lỗi bit BER [1],[7] được tính theo công thức (2.2): ( )           −≤ 0 min1 N ERdQMp bce (2.2) ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP MÃ HOÁ THÍCH ỨNG ĐỘNG ĐỂ TĂNG DUNG LƯỢNG TRUYỀN DỮ LIỆU... Trong đó nkRc = là tỉ lệ mã, M : là số mức điều chế, dmin: 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 ỨNG DỤNG TRONG KÊNH 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 Xn, 0≤n≤N-1. Những mẫu tín hiệu phát Sn của 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 HỒ 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 Rn. Đáp ứng xung của hàm kênh truyền trong miền tần số Hn được xây dựng từ phép biến đổi Fourier N điểm, tín hiệu thu Rn có thể biểu diễn như sau : 2 .n nH = (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 lượng 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: ∑ = − − = p j jnjZd zH 1 1 1)( (3.3) Trong đó jnjZd − là các hệ số dự đóan, p là số mẫu dự đóan. Kết quả tính phổ công suất kênh dự đóan là tổng của các mẫu dự đóan như công thức sau: Kênh truyền ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP MÃ HOÁ THÍCH ỨNG ĐỘNG ĐỂ TĂNG DUNG LƯỢNG TRUYỀN DỮ LIỆU ∑ = − = p j njn CdC 1 1 , (3.4) Trong đó ,nC 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: ∑ = + − ≈≡Φ N i jijiij yyjNyy 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=Φ N j jkjK d 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. HỒ 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 Rc được 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 sóng 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. ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP MÃ HOÁ THÍCH ỨNG ĐỘNG ĐỂ TĂNG DUNG LƯỢNG TRUYỀN DỮ LIỆU Bảng 1. Thiết lập tỉ lệ mã hoá của sóng mang thành phần theo tỉ số SNR tương ứng với tỉ số lỗi bit BER =10-4 trên kênh AWGN Đoạn Tỉ số SNR(dB) Tỉ lệ mã hoá Tỉ số bit dữ liệu truyền SNR0 <0 0 0 SNR1 12,851 1/5 0.25 SNR2 13,760 1/4 1,20 SNR3 16,391 1/3 0,33 SNR4 17,452 1/2 0,50 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 SNR0 <0 0 0 SNR1 12,944 1/5 0.25 SNR2 13,828 1/4 1,20 SNR3 16,445 1/3 0,33 SNR4 17,539 1/2 0,50 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 HỒ 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 ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP MÃ HOÁ THÍCH ỨNG ĐỘNG ĐỂ TĂNG DUNG LƯỢNG TRUYỀN DỮ LIỆU 1.3.2. 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 HỒ 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 Rc cố 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, ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP MÃ HOÁ THÍCH ỨNG ĐỘNG ĐỂ TĂNG DUNG LƯỢNG TRUYỀN DỮ LIỆU 50 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 trình 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 phương 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