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

MỞĐ Ầ U Giớithiệuđềtài Trong hthong thông tin ngày nay, van đe nâng cao chat lượng hi unăng củah t h o n g l u ô n đ ợ c q u a n t â m v n g h i ê n c ứ u M t t r o n g n h ữ n g v a n đ e gpphảitrongquátrìnhcảitienvànângcapcácht h o n g l k h ả n ă n g t n d ụ n g v ke thừa hthong thiet ke san có, tránh vi c phải thiet ke lại vàthaythe tồnbh t h o n g dantớimat nhieucơngsức vàchi phí Trướcđây theol ýt huye t Sh a nn on nă m1948[1], mã hóanguon mã hóakênhcótheđượcthietkevàhoạtđn g đ c l p v i n h a u m k h ô n g m a t đ i s ự toi ưu Từ h thong thông tin so truyen thong đeu thiet ke theo cautrúc noi tiep mã nguon mã kênh TSCC (Tandem Source Channel Coding) riêngbit.TuynhiênđịnhlýcủaShannonchỉđúngtrongtrườnghợplýtưởng,khicảphía phát phía thu không bị giới hạn ve đphức tạp đtre Ðieu khôngphải thực te, nhat đ phức tạp đ tre hai yeu to giớihạnđoivớicácứngdụngtruyendanthờigianthực.Nhieuhướngnghiêncứuđ ãtptrungvàomt phương pháp khác ket hợp mã nguon mã kênh JSCC(Joint Source Channel Coding) nham đạt hi u hoạt đng tot mà vanđảmbảođtre đphứctạpởmt mứcđnhat định Hi n có nhieu nghiên cứu ve kỹ thu t JSCC nhiên hau chỉmang tính lý thuyet tính phức tạp cao hthong đieu ki n truyen danthực te Mt hạn che hau het kỹ thu t JSCC tính linh hoạtthap, thiet ke cho trường hợp cụ the ht h o n g v i nguon tín hi u vàmơitrườngtruyen dancho trước.Do vy tínhứngdụngkhơngcao Trong lu n án t p trung nghiên cứu phương pháp toi ưu hóa phương phápgán từ mã cho mau tín hiu lượng tử hay goi phương pháp toi ưu vicgán so IA (Index Assignment) áp dụng cho ht h o n g s o s d ụ n g c c kỹ thu t lượng tử hóa đe so hóa tín hi u Phương pháp chat sap xep lạithứ tự bảng mã (Codebook) blượng tử hóa theo thứ tự toi ưu đe giảm thieuméotín hi u gâyrabởinhieu kênh.Ph ươ ng phápIAtrienkhaiđơn giản có th elàmtăngh i u q u ả h o t đ n g c ủ a h t h o n g n h n g k h ô n g t ă n g t h ê m đ phức tạp,toc đb i t v đ t r e H n n ữ a p h n g p h p n y k h l i n h h o t k h i k h ô n g đ ỏ i h ỏ i biet chínhxác mức đnhieu kênhtruyenv c ó t h e t h ự c h i n đ c l p h o c phoi hợp với mã kênh Do đó, phương pháp có tính khả thi cao, cịn có thếp dụng đe nâng cap ht h o n g s a n c ó d o c h ỉ t h a y đ o i t h ứ t ự b ả n g m ã c ủ a b lượng tử hóa mà không làm ảnh hưởng đen khoi khác Ðây mt l ợ i t h e v ì nhưvy tietkim nhieucơngsức chi phí Nhữngvấnđềcịntồntại Trong phương pháp IA, đe tìm thứ tự toi ưu bảng mã kích thướcblượng tử hóa lớn đieu khơng khả thi Do v y có rat nhieu nghiên cứu ve lýthuyet thu t toán đe tìm phương án c n toi ưu (goi thu t tốn IA) CácphươngphápIAtrướcđâyđeuđượcnghiêncứuriênglẻvàchưađượcpháttrien vìđethựchin phươngphápcan mt khoitínhtốn lớnvàucau bnhớlớn, trongkhicơngnghm y tínhchưahin đạinhưngàynay.Cácnghiêncứutrước đâyvephươngpháp IA mt so ton tạinhưsau: +Hau he t cácthu t tốn IA có đ phứctạp ca o,khóá pdụng trongtrường hợp bảngmã cókích thước lớntrênthựcte (bảngmã 810bit)bit) + Các nghiên cứu ve phương pháp IA đeu giả thiet đơn giản hóa hthong vàkhơng xét đen kỹ thu t đieu che Do vi c ước lượng tham so hthongphục vụ cho toán toi ưu IA áp dụng vào h thong thực te khơng chínhxácdanđen giảmhiu quảtoiưucủaphươngphápIA Mụctiêu,đốitượngv àphươngphá p nghiên cứu 3.1 Mụctiêunghiêncứu  Nghiên cứu, cải tien thu t toán IA nham tăng đo n đ ị n h , t o c đ t h ự c h i n đtoi ưu thu t tốn Từ phương pháp IA có the áp dụng với cáctrườnghợpthực te(bảngmã cókích thước từ 8-10bit)bit)  Nghiên cứu, đe xuat phương pháp ước lượng tham so hthong thôngtin so làm tham so đau vào cho toán IA Ðưa phương pháp ket hợp mãnguon mã kênh kỹthut đ i e u c h e s o sửdụngphươngphápIA  Nghiên cứu ứng dụng phương pháp IA vào kỹ thut l ợ n g t h ó a v e c t c ó cau trúc sử dụng trường hợp lượng tử hóa vectơ có so chieu lớn vàkích thước bảngmã lớn 3.2 Đốitượngvàphạmvinghiêncứu  Các ht h o n g t h ô n g t i n s o s d ụ n g k ỹ t h u t l ợ n g t hóa vectơ (VQ) ( h a y lượngtửhóatheokhoi)vàtruyendan quakênhdừngvớimơhìnhkên hrờirạckhơngnhớDMC(Discrete Memoryless Channel) H thong có the sửdụng mã kênh đe đieu khien loi trường hợp can thiet mã kênh (neucó) cácmã khoi có tínhht h o n g (SymmetricBlockCode)  Cácbl ợ n g tửhóavectơcó cau trúcvàứngdụng 3.3 Phươngphápnghiêncứu Ket hợp lý thuyet với van đe thực tien đe đưa van đe ton vàđe xuat hướng giải quyet Sử dụng mơ máy tính thực nghi m đ e kiemchứngvà đánh giá hiu cácphươngphápđexuat Ýnghĩakhoahọcvàýnghĩathựctiễncủaluậnán  Ý nghĩa khoa hoc: Các ket lu n án góp phan phát trien mt cáckỹthut JS CC n g i ả n có t í n h ứng dụnglinhhoạtcao, l nen t ả ng cho nghiên cứu tiep theo lĩnh vực: Cải tien chat lượng truyendanmàkhôngảnhhưởngđenđp h ứ c tạpvàbăngthônght h o n g , nân gcapht ho ng s a n c ó m k h ô n g ả n h h n g đ e n t h i e t k e h t h on g, c ả i t i e n c c chuanmã hóatínhiu  Ý nghĩa thực tien: Các ket lu n án mt giải pháp cụ the khả thi,mở khả ứng dụng vi c thiet ke toi ưu h thong thông tin sohoc nâng capcác hthong sanc ó g i ú p n â n g c a o h i u n ă n g c ủ a h t h o n g Cáck e t q u ả c ủ a l u n n c ũ n g b o s u n g t h ê m m tg i ả i p h p n â n gcaochat lượngtínhiu chocácnhàthietkevàsảnxuattrongnướcđecóthetựthietkevàche tạo hthong truyen dan tín hi u khơng q phức tạp mà khơngphảisửdụngđencácmodule vàchuantruyen dantín hiu sancó,từđó cóthelàmchủđượccơngnghv nângcao tínhbảomt Cấu trúccủaluận án Lun n đượcchialàm4chương CHƯƠNG1.GIỚITHIỆU 1.1 Kếthợpmãnguồnvàmãkênhtrongthôngtinsố 1.1.1 Hệthốngthơngtinsốtruyềnthống Là h thong bao gom khoi mã hóa nguon, mã hóa kênh, đieu che Trongđó mã hóa nguon mã hóa kênh thiet ke đc l p hoạt đng noi tiep nhaugoilà TSCC 1.1.2 KỹthuậtkếthợpmãnguồnvàmãkênhJSCC Bao gom kỹ thu t: Mã nguon toi ưu theo kênh (COSC), mã kênh toi ưutheonguon (SOC C) ,và mt so kỹthut khácnhưpho ihợpbgiảimãkênh giả imã nguon, kỹthut đ i e u c h e đ a p h â n g i ả i , cáckỹthut l a i Kỹ thut IA nghiên cứu lun n t h u c n h ó m k ỹ t h u t C O S C Ð â y kỹ thut đơn giản có tính linh hoạt cao kỹ thu t J S C C , p d ụ n g ht h o n g t h ô n g t i n s o s d ụ n g k ỹ t h u t l ợ n g t h ó a t í n h i u t r o n g q u trìnhsohóa tínhiu 1.2 Lượngtửhóatínhiệu 1.2.1 Lượngtửhóavectơ(VQ) Là kỹ thu t tong quát kỹ thu t lượng tử hóa vơ hướng, ứng dụngnhieunhưm tcơngcụnéntín hiu cóhsonéncaovàđemlạichatlượngtot.VQ trường hợp tong qt củakỹthut lượng tử hóa vơ hướng (SQ) lun án trungnghiêncứukỹthut VQ Phương pháp VQ ánh xạ mt nhóm mau tín hi u (vectơ tín hi u) vào cácnhóm từ mã (hay goi vectơ mã) Phương pháp t n dụng tương quangiữa mau tín hi u cho hi u tot lượng tử hóa vơ hướng vớitrườnghợpnguontín hiu nguonkhơngnhớ đclp [57] 1.2.2 Điềukiệnlượngtửhóatốiưu 1.2.3 Thiếtkếbảngmãchobộlượngtửhóavectơ Phannày trìnhbày ve thut t o n t h i e t (codebook) cho b lượngtửhóa vectơdựa luyn Svớisovectơđủlớn 1.3 CáctínhchấtvàứngdụngcủakỹthuậtVQ 1.3.1 ĐặcđiểmcủakỹthuậtVQ ke bảng mã trênm ttp huan Kỹ thut V Q t h í c h h ợ p đ e ứ n g d ụ n g t r o n g m ã h ó a t í n h i u t n g t ự c ó đ tương quan cao Với giới hạn ve thời gian, lu n án nghiên cứu ứng dụng củaVQtronglượngtử hóacác thamsocủa cácbm ã h ó a t i e n g nói 1.3.2 Lượngtửhóacácthamsốcủabộmãhóatiếngnói Kỹ thu t VQ có rat nhieu ứng dụng, lu n án đe c p đen ứngdụngphobiennhat trongcác kỹthut m ã h ó a tiengnói toc đt h a p 1.4 Kỹthuậtkếthợpmãnguồnvàmãkênh–mãchốnglỗikhơngdưthừa 1.4.1 LượngtửhóavectơtốiưutheokênhCOVQ Phươngpháp t h i e t k e l i b ả n g mãt h eo t h u t t o n L B G , n h ưn g có t í n h đ e n ảnhhưởngcủanhieugâyrasựsaikhácgiữacácchỉso(từmã)đượctruyentrênđườngtruyen Phương pháp hoạt đng tot mức đn h i e u đ ợ c h u a n l u y n Tuy nhiên k h i đieukin kênhtottrênmứcđn h i e u đượchuanluyn thìphươngphápnàyho ạtđng khơng hieu quả, th m chí ket hoạt đng ht h o n g khơngápdụngphươngpháptoiưunào 1.4.2 Phươngpháptốiưuhóathứtựbảngmã Phươngphápsapxeplạithứtựcủabảngmãcodebooktoiưu,giảmméotínhi u gây nhieu kênh truyen qua kênh nhieu Phương pháp thực hi nđơn giản, có tính khả thi cao, khơng địi hỏi biet xác mức đnhieu kênhtruyennhư phương phápCOVQ.Ngồi phương pháp IAcót h e s d ụ n g đ e nâng cap h thong san có sử dụng kỹ thu t lượng tử hóa VQ Vìnhững đ c điem v y nên lu n án t p trung sâu nghiên cứu phát trienphươngphápIA 1.5 Kếtluậnchương1 CHƯƠNG2.KẾTHỢPMÃNGUỒNVÀMÃKÊNHBẰN G PHƯƠNG PHÁP TỐIƯU HÓA THỨTỰBẢNGMÃCỦABỘLƯỢNGTỬHÓA 2.1 Giớithiệuchương Chương nghiên cứu phương pháp ket hợp mã nguon mã kênh sử dụngphương pháp toi ưu hóa vi c xap xep thứ tự bảng mã b lượng tử hóa,đây cịn goi phương pháp đánh so IA (Index Assignment) Phươngpháp goi phương pháp mã kênh khơng dư thừa, khơng tăng tocđ bitcũngnhưđ phứctạpcủab mãhóavàgiảimãdanđenkhơnglàmtăngđtremã hóa Phương pháp IA thực hi n đơn giản, can sap xep lại (đoi cho) từmã bảng mã blượng tử hóa Do v y, phương pháp cịn có the ápdụngđenângcapcác hthongsancó,màkhơngđịihỏiphảithayđoicautrúc hthong Từ ta thay tính khả thi ứng dụng phương pháp IA rat cao,do thực te vi c nâng cap ht h o n g b a n g c c h t h a y t h e t o n b h o c m t p h a n haythiet ke lại ht h o n g danđenrat tonkém 2.2 PhươngpháptốiưuhóathứtựbảngmãIA 2.2.1 Mơ hìnhtốnhọccủabài tốnIA B giải mã B mã hóa x Tìm vectơ gan nhatchỉ so i so jTìm kiem bảngcj ci Bảng mã C Bảng mã C Hình 2.1.Quátrìnhtruyen dandướisựtácdngcũanhieu Hình 2.1 bieu dien mt trình truyen dan hthong sử dụng kỹ thu tlượng tử hóa vectơ Trên đường truyen phát soivà phía thu sau giải mã sẽnh n soj Xác suat truyen từ mãinh n từ mãjlà xác suat chuyenđoi từ mãPC(j,i) Méo tong cng cho toàn bb ả n g m ã D() đe đánh giá đt o i u cho phươngángánchỉ sonhưsau: N D() ∑ N P(i) P (j),(i)d i ,j a (2-3)   hi n∑vectơ mãcivàd(i,j) C i1 j1 Trong đóPa(i) xác suat xuat méo (hay khoảngcách) hai vectơcivàcj Bài toán đ t tìm hốn vị sao choD()nhỏnhat.Neuduyt hettatcả N! khảnăngthìkhơngkhảthi.Cácphươngpháptìmkiemganđúngđeđạtđượccácphươngáncntoiưu đượcnghiêncứuvàpháttrien Ðe thun tin cho vic thực hin t h u t t o n I A , t a c ó t h e l u g i t r ị c c t h a m so đauvàoPa(i),PC(i,j)vàd(i,j)trongcácma trn Pa,PCvàDtươngứng 2.2.2 CácbướctriểnkhaicủaphươngphápIA Pa Mơhình hthongBBước Ước lượng tham ảngmãC so h thong PC D Bước3 Bước Tìm thứ tự toi opt ưu (Dùng thu t toán IA) D() Sapxeplạibảngm ãCtheo thứ tựtoiưutìmđược Copt Hình2.2.BabướctrienkhaiphươngphápIA Phương pháp IA bao gom ba bước trien khai Bước đau tiên từ mơ hình hthong bảng mã, ước lượng tham soPa(i),PC(i,j) vàd(i,j) (nghiên cứu ởChương 3) Bước hai áp dụng thu t tốn IA đe tìm phương án toi ưuoptsaochoD(opt) nhỏ tot Bước trien khai thực hi n đoi cho (ho c gán lạichỉ so) cho bảng mã lượng tử hóa Ở chương t p trung nghiên cứu thu ttoán IA Bước 2.2.3 CáckháiniệmtrongbàitoánIA Bài toán IA tốn quy hoạch tồn phương, nhi m vụ tốn tìmphươngánt o i ưu  c ho D ()lànhỏ n t H m D()đ ợ c go il hàm m nct iêu cũabài toán Phương áncủa toán IA m t hốn vị,lân c¾n’củaphươngánlàmt phươngánđượctạo rabangcách hốn đoimt cp v ị trítrong  2.2.4 CácthuậttốnIA Các cơng trình trước thường giải quyet toán IA với giả thiet đơngiản hóa là: (1) kênh truyen kênh BSC dan đen ma tr nPCluôn đoi xứng quađường chéo (2) phương pháp đo khoảng cách (méo) vectơ sử dụngkhoảng cách Euclid SED Những giả thiet hạn che không hoàn toàn phù hợptrongcác ứngdụngthực te Trong thu t tốn thu t tốn mơ luy n kim SA (SimulatedAnnealing) thut toán hiu q u ả v t h ô n g d ụ n g v i t h i gian hi tụ nhanh, đ ợ c sửdụngrn g rãitrongcácbàitốntoiưunóichungvàvanđetoiưusựkethợ pmãnguon mãkênh nóiriêng[39,44]vàvanliên tụcđượccảitien[50bit)] Trong chương lun n s ẽ n g h i ê n c ứ u v đ e x u a t t h u t t o n c ả i t i e n d ự a thu t toán SA cho toán gán so IA nham giảm thời gian hi tụ thu ttoán tăngđtoi ưucủa ket 2.3 Thuật tốn mơphỏng luyệnkim SA 2.3.1 CơsởcủathuậttốnSA Thu t toán SA giải thu t Metaheuristic dùng bien vi c giảicác toán toi ưu to hợp rời rạc Thu t tốn mơ q trình luy n kim, trongđó tinh the thép nung nóng tới nhi t đc a o v s a u đ ó đ ợ c l m n g u i t t đen ket tinh tạicauhìnhtinh the cứngnhat Tính giải thu t có the khỏi cực tieu địa phương bangcách cho phép chap nhn p h n g n k é m h n p h n g n h i n t i đ e t ă n g t h ê m c hi tìm phương án toi ưu Thu t toán đieu khien mt tham sotrạng tháiT( t n g t ự n h n h i t đ luyn kim) giảm dan sau moi lan l p Khiduy t mt ph ươ n g ánmới   ,neu   tot hơnh i n t i ln đượcch a p nhn , neu khơngthìv a n c ó k h ả năngđượcchapnhn vớixácsuateD/T 2.3.2 Thuậttốn SAvàcáctham số Trong phan mơ tả chi tiet bước thu t toán SA, áp dụng cho bàitoán gánchỉ soIA Các tham so đau vào: Pa(i), PC(i,j) d(i,j) (ho c dạng ma tr n Pa, PC, D) Các tham so đieu khien: Các tham so giới hạn trạng thái T0, Tmin, T Các tham so ngưỡng: Th1, Th2, Th3 Tham so đau ra: Phương án toi ưu opt Bước 1: Khởi tạo: T  T0;   init (phương án ban đau) Bước 2: Sinh lân c n ngau nhiên , bang cách chon m t c p vị trí (r,s) ngau nhiênvàhốnđoihaivịtrínàycho nhautrong TínhDD()–D(’) IfD