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

TAÏP CHÍ ÑAÏI HOÏC SAØI GOØN Soá 10 - Thaùng 6/2012<br /> <br /> <br /> ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP MÃ HOÁ THÍCH ỨNG ĐỘNG ĐỂ<br /> TĂNG DUNG LƯỢNG TRUYỀN DỮ LIỆU TRONG<br /> HỆ THỐNG DI ĐỘNG SỐ BĂNG RỘNG<br /> <br /> HỒ VĂN CỪU (*)<br /> TRẦN QUỐC BẢO (**)<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Nghiên cứu kĩ thuật mã hoá thích nghi ứng dụng trong hệ thống kênh truyền vô tuyến<br /> số OFDM để tăng hiệu quả truyền dẫn dữ liệu và nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông<br /> kênh truyền vô tuyến trong thông tin di động số băng rộng. Bài viết này trình bày nguyên lí<br /> mã hoá thích nghi của kênh truyền vô tuyến số và xây dựng mô hình mô phỏng để tính tốc<br /> độ truyền dữ liệu trung bình và hiệu quả sử dụng băng thông kênh truyền.<br /> Từ khoá: Giải pháp mã hoá, nguyên lí mã hoá, truyền dữ liệu .<br /> <br /> ABSTRACT<br /> Adaptive code is one scheme of the adaptive systems used in radio fading channels. It<br /> increases the average capacity of data transmission and is studied for applications of the<br /> fourth generation CDMA mobile cellular systems. This paper introduces an adaptive code<br /> algorithm, the result simulation and effect using bandwidth in channel.<br /> Keywords: Code solution, Code principle, Data transmission<br /> <br /> 1. NGUYÊN LÍ MÃ HOÁ THÍCH NGHI lượng, S: là công suất tín hiệu, N=N0W: là<br /> Ngày nay các hệ thống thông tin vô công suất nhiễu. Dung lượng kênh truyền<br /> tuyến số phát triển nhanh chóng theo C tăng tỉ lệ thuận với độ rộng băng tần W.<br /> hướng toàn cầu hoá và dịch vụ băng rộng Để giảm xác suất thu sai, thì phải thực hiện<br /> tích hợp cao; trong khi đó băng thông kênh việc mã hoá kênh, tức là gắn thêm các bit<br /> truyền là nguồn tài nguyên vô tuyến có giới tín hiệu sửa sai vào luồng dữ liệu truyền,<br /> hạn do đó việc sử dụng hiệu quả băng như vậy, tổng số bit tín hiệu cần truyền tại<br /> thông kênh truyền vô tuyến là hướng đầu phát tăng lên, cần phải tăng tốc độ<br /> nghiên cứu rất quan trọng. (*) (**) truyền dẫn thì mới truyền hết lượng thông<br /> Dung lượng kênh truyền theo tiêu tin trong một chu kì thời gian. Khi tốc độ<br /> chuẩn Nyquist [1],[7] được xác định theo truyền dẫn tăng lên thì yêu cầu về độ rộng<br /> công thức 2.1: băng thông cũng tăng lên, trong khi đó<br /> băng thông kênh truyền thì có giới hạn.<br />  S<br /> C (bps ) = W log 2 1 +  (2.1) Hamming chứng minh được xác suất<br />  N lỗi bit hay tỉ số lỗi bit BER [1],[7] được<br /> trong đó W: là độ rộng băng tần, C: là dung tính theo công thức (2.2):<br />   d RE <br /> (*) pe ≤ (M − 1)Q min c b <br /> <br /> (2.2)<br /> TS, Trường Đại học Sài Gòn<br /> (**)<br />   N0 <br /> ThS, Bộ Thông tin Truyền thông<br /> ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP MÃ HOÁ THÍCH ỨNG ĐỘNG ĐỂ TĂNG DUNG LƯỢNG TRUYỀN DỮ LIỆU...<br /> <br /> <br /> Trong đó Rc = k n là tỉ lệ mã, M : là mức SNR, nếu sử dụng bộ mã hoá có tỉ lệ<br /> số mức điều chế, dmin: là khoảng cách mã cao thì tỉ số BER tăng, nếu sử dụng bộ<br /> Hamming tối thiểu. mã hoá có tỉ lệ mã thấp thì tỉ số BER giảm.<br /> Công thức (2.2) và hình vẽ 2.1, tại một<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2.1. Đồ thị BER thay đổi theo tỉ số mã hoá, 64PSK, AWGN<br /> <br /> <br /> Kĩ thuật mã hoá thích nghi ứng dụng 2. SƠ ĐỒ KHỐI MÃ HOÁ THÍCH NGHI<br /> trong hệ thống kênh truyền vô tuyến số ỨNG DỤNG TRONG KÊNH<br /> OFDM là điều chỉnh tỉ số mã hoá theo đặc TRUYỀN VÔ TUYẾN SỐ OFDM<br /> tính kênh truyền vô tuyến tương ứng với 2.1. Sơ đồ khối hệ thống.<br /> một yêu cầu về tỉ số lỗi bit BER. Khi kênh Sơ đồ hệ thống mã hoá và giải mã thích<br /> truyền bị ảnh hưởng fading sâu, mức tỉ số nghi OFDM được minh họa như hình 3.1.<br /> SNR của kênh t hành phần giảm, tỉ số lỗi Tại máy phát luồng tín hiệu vào được<br /> bít BER tăng cao hơn tỉ số lỗi bit BER cho phân chia thành N luồng tín hiệu thành<br /> phép, thì cần giảm tỉ số mã hoá để giảm tỉ phần, các luồng tín hiệu thành phần được<br /> số BER, ngược lại trong điều kiện kênh đưa qua bộ mã hoá theo nhiều tỉ số khác<br /> truyền ít bị ảnh hưởng fading thì tỉ số SNR nhau, bộ điều chế tín hiệu sẽ tạo ra N kí tự<br /> tăng cao, tỉ số lỗi bít BER giảm thấp hơn tỉ dữ liệu Xn, 0≤n≤N-1.<br /> số lỗi bit BER cho phép thì tăng tỉ số mã Những mẫu tín hiệu phát Sn của một kí<br /> hoá, như vậy sẽ làm giảm bớt những tổn tự OFDM trong miền thời gian được tạo ra<br /> thất về dung lượng truyền của kênh tín hiệu từ khối IFFT và phát trên kênh sau phần<br /> đầu vào, hiệu năng truyền dẫn trung bình mở rộng chu kì để chèn thêm khung thời<br /> tăng lên, tỉ số lỗi bit BER trung bình của hệ gian bảo vệ GI, nhằm khắc phục hiện<br /> thống truyền vẫn được bảo đảm. tượng ISI do trải trễ của pha đinh đa đường<br /> và gắn thêm tín hiệu pilot và thông tin báo<br />  HỒ VĂN CỪU - TRẦN QUỐC BẢO<br /> <br /> <br /> hiệu lọai mã hoá để sử dụng cho việc ước thời gian thực. Kênh truyền có đáp ứng<br /> lượng và điều khiển thay đổi tỉ số mã hoá xung theo thời gian h( , t ) và nhiễu cộng<br /> theo tỉ số SNR của kênh truyền trong miền AWGN.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Kênh<br /> truyền<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống mã hoá thích nghi Adaptive coding -OFDM<br /> <br /> Tại máy thu, phần mở rộng chu kì 2.2. Ước lượng và dự đoán kênh<br /> tương ứng với thời gian bảo vệ được loại truyền<br /> bỏ, tín hiệu pilot được sử dụng để ước Ước lượn g và dự đóan kênh truyền là<br /> lượng tỉ số SNR và BER, thông tin báo sử dụng các mẫu đo cường độ sóng điện từ<br /> hiệu được tách ra để thiết lập cấu hình cho thu được trên kênh vô tuyến hiện tại để dự<br /> các kênh thành phần. Những mẫu tín hiệu đóan các mẫu tương lai, từ đó đánh gía<br /> trong miền thời gian nhận được sẽ đưa vào được mức công suất của kênh. Kênh fading<br /> khối FFT đ ể tạo thành những kí tự dữ liệu đa đường thường sử dụng phương pháp<br /> trong miền tần số kí hiệu là Rn. Đáp ứng đánh gía phổ công suất bằng phép tính<br /> xung của hàm kênh truyền trong miền tần Entropy cực đại MEN (Maximum Entropy<br /> số Hn được xây dựng từ phép biến đổi Method), đáp ứng của kênh được mô tả<br /> Fourier N điểm, tín hiệu thu Rn có thể biểu như công thức sau:<br /> diễn như sau : 1<br /> H ( z) = (3.3)<br />  n = H n .<br /> 2 p<br /> <br /> (3.2) 1 − ∑ d j Zn− j<br /> j =1<br /> trong đó γ là tỉ số SNR tổ ng. Nếu không có<br /> sự suy hao tín hiệu nào liên quan hay nhiễu Trong đó d j Z n − j là các hệ số dự đóan,<br /> giao thoa từ những nguồn khác thì giá trị p là số mẫu dự đóan. Kết quả tính phổ công<br /> cho phép xác định được tỉ số lỗi bít suất kênh dự đóan là tổ ng của các mẫu dự<br /> BER của dữ liệu truyền trên sóng mang đóan như công thức sau:<br /> thành phần thứ n.<br /> ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP MÃ HOÁ THÍCH ỨNG ĐỘNG ĐỂ TĂNG DUNG LƯỢNG TRUYỀN DỮ LIỆU…<br /> <br /> <br /> p<br /> C = ∑ d j Cn −1<br /> ,<br /> n (3.4) Trong đó N là số điểm cực, N có giá trị lớn<br /> j =1 thì kết quả dự đóan chính xác hơn, từ 3.5.<br /> Trong đó Cn, là tổ hợp từ p giá trị trước hệ số dự đóan sẽ tính được theo hàm số<br /> đó nhân với hệ số dự đóan, hệ số dự đóan sau:<br /> N<br /> được xác định từ hàm tương quan như<br /> công thức sau:<br /> Φ K = ∑ Φ j −k d j (3.6)<br /> j =1<br /> 1 N<br /> Φ j ≡ yi yi + j ≈ ∑ yi y j<br /> N − j i =1<br /> (3.5) Kết quả dự đóan phổ công suất tín hiệu<br /> được minh họa như hìn h 3.2<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3.2. Đồ thị minh họa kết quả dự đóan công suất tín hiệu kênh truyền Fading<br /> 3. MÔ PHỎNG<br /> 3.1. Mô hình mô phỏng<br /> Mô hình bộ mô phỏng hệ thống kênh truyền tín hiệu OFDM như Hình 4.1.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4.1. Mô hình bộ mô phỏng mã hoá thích nghi OFDM.<br />  HỒ VĂN CỪU - TRẦN QUỐC BẢO<br /> <br /> <br /> Trong mô hình này hai máy thu phát theo dạng ma trận có nhiều giá trị cho các<br /> đang liên lạc với nhau, sử dụng kết quả dự thời điểm khác nhau trong miền tần số.<br /> đoán tỉ lệ mã hoá theo tỉ số SNR trong kí Dựa trên các thông số kênh, các giải thuật<br /> hiệu OFDM mới nhận được, để xác định mã hoá thích nghi sẽ ấn định tất cả các<br /> kiểu mã hoá thích hợp cho những sóng thông số cho bộ mã hoá thích nghi OFDM.<br /> mang thành phần trong những kí hiệu Tại bộ thu tín hiệu thu được đưa qua khối<br /> OFDM kế tiếp. biến đổi nối tiếp sang song song, qua bộ<br /> Sử dụng mã xoắn (Convolutional biến đổi FFT, giải điều chế, giải mã hoá<br /> Code) [1],[4],[5],[7] để áp dụng trong mô kênh, tỉ số BER sẽ được xác định nhờ bộ<br /> hình mô phỏng. Tỉ số mã hoá Rc được chọn so sánh lỗi bit và tính tỉ số lỗi bit BER.<br /> là các giá trị 1/2, 1/3, 1/4, 1/5. Trong đó Trong bộ mô phỏng có sử dụng các thông<br /> các thông số ước lượng của kênh, có tính số kênh truyền theo mô hình kênh AWGN<br /> ngẫu nhiên, như tỉ số SNR, được tạo ra và mô hình kênh HiperLAN/2 [2].<br /> <br /> 3.2. Giải thuật lựa chọn tỉ lệ mã hoá theo tỉ số SNR<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4.2. Thiết lập tỉ lệ mã hoá của s óng mang thành phần theo tỉ số SNR<br /> <br /> Cấu hình của từng sóng mang thành nằm trong dải từ SNR0 đến SNR1 thì sử<br /> phần được thiết lập dựa trên đánh giá tình dụng mã hoá tỉ lệ 1/5. Nếu SNR nằm trong<br /> trạng kênh truyền theo tỉ số SNR. Do đó, dải từ SNR1 đến SNR2, thì sử dụng mã<br /> cần phải chia các giá trị về SNR thành 4 hoá tỉ lệ 1/4. Nếu SNR nằm trong dải từ<br /> dải thành phần, kí hiệu: SNR0, SNR1, SNR2 đến SNR3 thì sử dụng mã hoá tỉ lệ<br /> SNR2 và SNR3, mỗi dải đư ợc gán một tỉ lệ 1/3. Nếu SNR lớn hơn SNR3 thì sử dụng<br /> mã hoá tương ứng. Nếu SNR nhỏ hơn mã hoá tỉ lệ 1/2.<br /> SNR0, thì không phát dữ liệu. Nếu SNR<br /> ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP MÃ HOÁ THÍCH ỨNG ĐỘNG ĐỂ TĂNG DUNG LƯỢNG TRUYỀN DỮ LIỆU…<br /> <br /> <br /> Bảng 1. Thiết lập tỉ lệ mã hoá của sóng mang thành phần theo tỉ số SNR tương ứng với tỉ<br /> số lỗi bit BER =10-4 trên kênh AWGN<br /> Đoạn Tỉ số SNR(dB) Tỉ lệ mã hoá Tỉ số bit dữ liệu truyền<br /> SNR0