Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Giải pháp cải thiện chất lượng dịch vụ IPTV trên mạng Wimax

Nhìn thấy tiềm năng của IPTV bằng việc sử dụng WiMAX như là mạng truy cập là một đòn bẩy chiến lược, nhưng đầy thách thức đối với một nhà cung cấp dịch vụ viễn thông.. Việc hỗ trợ rtPS t

GIỚI THIỆU CHUNG

Lý do chọn đề tài

Khi chất lượng cuộc sống từng ngày được cải thiện, các nhu cầu của con người tăng lên nhanh chóng Điều này làm tăng tốc độ đổi mới của khoa học nói chung, và mạng công nghệ máy tính nói riêng Ngày nay, Internet không còn chỉ là e-mail và các trang web Người sử dụng còn cần các ứng dụng có tính tương tác cao hơn và dịch vụ đa phương tiện phong phú hơn Để đáp ứng những nhu cầu này, các ISP (Nhà cung cấp dịch vụ Internet) đang làm việc cật lực để cung cấp các dịch vụ tốt nhất cho các thuê bao của họ Trong các dịch vụ này, IPTV (Internet Protocol Television) đang nổi lên như một chìa khóa để cho các ISP để tăng doanh thu

Người ta tin rằng IPTV đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm không chỉ các ISP mà còn các thuê bao hiện có Đặc biệt với sự tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ băng rộng như đã đề cập ở trên và mã hóa video, không ai có thể nghi ngờ rằng IPTV sẽ có một tương lai tươi sáng

WiMAX, với ưu thế hỗ trợ băng thông rộng và độ trễ thấp, mang lại sự phù hợp lý tưởng cho phân phối dịch vụ đa phương tiện, đặc biệt là IPTV Khả năng phủ sóng rộng, hỗ trợ thu phát di động và hỗ trợ QoS chặt chẽ cho 4 loại dịch vụ (UGS, rtPS, BE) của WiMAX góp phần đáp ứng nhu cầu băng thông của các nội dung quản lý từ nhà cung cấp dịch vụ IPTV Giờ đây, với WiMAX, việc triển khai các dịch vụ IPTV trở nên khả thi với chi phí phân phối thấp mà vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ cao, cho phép người dùng tận hưởng dịch vụ mọi lúc mọi nơi.

Multicasting hay là chia sẽ thông tin của tín hiệu đến một nhóm các bộ thu có cùng sự quan tâm đến một nội dung (ví dụ: video, data, audio….) Tuy nhiên, do ảnh hưởng của sự phân tán kênh fading đa người dùng trong môi trường không dây, cho nên các bộ thu thường có điều kiện kênh khác nhau ở từng thời điểm khác nhau

Trong môi trường không đồng nhất xung quanh người nhận, tối ưu tốc độ truyền hoặc chiến lược đa hướng thông tin cho tất cả người nhận là bài toán khó WiMAX điều chế tín hiệu đa hướng bằng phương pháp có tốc độ truyền cao như 16-QAM, 64-QAM Tuy nhiên, do điều kiện kênh khác nhau, tín hiệu đa hướng được điều chế 16-QAM hoặc 64-QAM sẽ không giải mã được ở người nhận có SNR thấp và chỉ có thể giải mã được tín hiệu BPSK (yêu cầu SNR thấp hơn nhưng tốc độ truyền chậm hơn) Trạng thái kênh của từng người nhận thay đổi theo thời gian, dẫn đến tình trạng một người nhận chỉ hỗ trợ BPSK ở hiện tại nhưng có thể hỗ trợ 16-QAM hoặc 64-QAM ở thời điểm tiếp theo Tuy nhiên, nếu trạm gốc vẫn tiếp tục sử dụng điều chế BPSK cho dữ liệu đa hướng tại mọi thời điểm, kênh sẽ bị lãng phí đối với các người nhận hỗ trợ 16-QAM hoặc 64-QAM khi kênh có trạng thái tốt Do đó, triển khai IPTV trên WiMAX gặp khó khăn lớn nhất là sự phân tán kênh fading đa người dùng và cần giải quyết vấn đề này.

Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu khả năng triển khai các dịch vụ IPTV trên WiMAX

Các giải pháp hiện đại như MDC (Mã hóa đa dạng chéo) và SCM (Mã hóa phân phối không gian) được sử dụng để giải quyết thách thức phân tán kênh fading đa người dùng Những phương pháp này giúp cải thiện chất lượng dịch vụ IPTV trên hệ thống mạng không dây băng rộng WiMAX bằng cách đảm bảo đủ băng thông và độ trễ thấp, đáp ứng yêu cầu truyền phát nội dung video có độ phân giải cao.

- Mô phỏng phương án đã trình bày.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Sự phân tán kênh fading

- Biện pháp dùng điều chế mã xếp chồng SCM kết hợp MDC để giải quyết vấn đề phân tán kênh fading đa người dùng.

Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu mô hình IPTV hiện tại ở Việt Nam

- Nghiên cứu mô hình IPTV trên WIMAX

- Trình bày biện pháp dùng điều chế mã xếp chồng gồm BPSK và 16QAM hoặc 64QAM kết hợp với MDC để giải quyết vấn đề phân tán kênh fading đa người dùng

- Kết hợp với mô phỏng để làm sáng tỏ vấn đề nêu ra.

Kết quả mong muốn

- Hiểu được mô hình kiến trúc mạng IPTV và flow của nó trên mạng WIMAX

- Xác định được các nguyên nhân ảnh hưởng đến QoS của IPTV trên mạng WIMAX

- Giải quyết được vấn đề phân tán kênh fading đa người dùng.

Bố cục đề cương luận văn

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG Trình bày lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu

Chương 2: TỔNG QUAN IPTV TRÊN WiMAX VÀ CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN

Trình bày các đặc điểm của công nghệ WiMAX, cấu trúc hệ thống cũng như chất lượng dịch vụ IPTV trên WiMAX (chuẩn 802.16m) Nêu đặc điểm của lớp MAC và lớp vật lý, các đặc tính công nghệ tiên tiến của WiMAX như OFDMA, MIMO và cấu trúc mạng tham chiếu nhằm nêu rõ những ứng dụng của WiMAX Tiếp theo trình bày các dịch vụ của IPTV, cấu trúc hệ thống khi triển khai IPTV trên WiMAX bao gồm: mô hình hệ thống, các thiết bị phía khách hàng để hỗ trợ cho triển khai dịch vụ IPTV qua WiMAX, mạng truyền dẫn Đồng thời, trình bày chất lượng dịch vụ IPTV trên WiMAX trong đó sẽ tập trung vào MDI, MOS và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ IPTV trên WiMAX Cuối cùng sẽ trình bày tổng quan về mô hình kênh truyền vô tuyến số và các mô hình kênh AWGN, fading Đây là kênh truyền sẽ ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ IPTV khi triển khai trên mạng WiMAX

Chương 3: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ MÃ HÓA XẾP CHỒNG SCM Trình bày các kỹ thuật điều chế BPSK, QAM và SCM, MDC Trong đó, tập trung vào SCM và MDC vì kỹ thuật điều chế SCM kết hợp với MDC ta sử dụng để cải thiện chất lượng dịch vụ IPTV trên WiMAX do nó khắc phục được hiện tượng phân tán kênh fading đa người dùng, tiết kiệm băng thông Cuối cùng, sẽ trình bày cải thiện chất lượng IPTV khi triển khai trên WiMAX

Chương 4: MÔ PHỎNG CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ IPTV TRÊN WiMAX DÙNG SCM

Hệ thống truyền dẫn tín hiệu gồm các thông số mô phỏng, sử dụng phương pháp điều chế mã xếp chồng như BPSK, 16-QAM hoặc 64-QAM Phương pháp này giúp khắc phục hiện tượng phân tán kênh fading và tiết kiệm băng thông Qua đó, chất lượng dịch vụ truyền hình giao thức Internet (IPTV) qua mạng WiMAX được cải thiện đáng kể.

Cuối cùng, sẽ mô phỏng để chứng minh cho phương pháp mã xếp chồng 2 lớp đã trình bày

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Chương này trình bày kết quả đã đạt được, chưa được của đề tài cũng như nêu hướng phát triển tiếp theo của đề tài.

TỔNG QUAN IPTV TRÊN WIMAX VÀ CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN

LỚP VẬT LÝ VÀ LỚP MAC CỦA WIMAX

WiMAX là chữ viết tắt của thuật ngữ Worldwide Interoperability for Microwave Access (Khả năng tương tác toàn cầu cho truy cập vi ba) là hệ thống truy nhập vi ba có tính tương tác toàn cầu dựa trên tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16 Công nghệ WiMAX, hay còn gọi là chuẩn 802.16 là công nghệ không dây băng thông rộng đang phát triển rất nhanh với khả năng triển khai trên phạm vi rộng, được coi là có tiềm năng to lớn để trở thành giải pháp lý tưởng nhằm mang lại khả năng kết nối Internet tốc độ cao tới các gia đình và công sở

Trong khi công nghệ quen thuộc Wi-Fi (802.11a, b và g) mang lại khả năng kết nối tới các khu vực nhỏ như trong văn phòng hay các điểm truy cập công cộng hotspot, WiMAX có khả năng phủ sóng rộng hơn, bao phủ cả một khu vực thành thị hay nông thôn nhất định Công nghệ này có thể cung cấp tốc độ truyền dữ liệu đến 1Gbps đối với WiMAX cố định và 100 Mbps đối với WiMAX di động tại mỗi trạm phát sóng với tầm phủ sóng lên đến 100 Km và hỗ trợ tốc độ di chuyển lên đến 350 Km/h WiMAX là công nghệ mới, do IEEE phát triển nhằm giải quyết các vấn đề trong mạng vô tuyến băng rộng điểm – điểm, điểm – đa điểm Có thể nói rằng WiMAX hoạt động tương tự như mạng LAN không dây WiFi nhưng với tốc độ cao hơn, khoảng cách xa hơn và số lượng người sử dụng nhiều hơn Công nghệ này có thể giúp “phủ sóng” những khu vực không có dịch vụ Internet băng rộng ở các vùng ngoại ô và nông thôn

Sự bùng nổ mạng WLAN ở Mỹ và Châu Âu đã cho thấy nhu cầu về mạng không dây đặc biệt là truy cập Internet không dây là rất lớn Trong khi nhu cầu đối với các dịch vụ băng thông rộng trên toàn thế giới ngày càng gia tăng, WiMAX chính là giải pháp tiềm năng giúp cho hàng triệu người có thể truy cập Internet không dây băng rộng bất cứ khi nào và bất cứ nơi đâu

2.1.2 Lớp vật lý 2.1.2.1 Phương pháp đa truy nhập OFDM

Công nghệ ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuật ghép kênh, nó chia nhỏ băng thông thành các tần số sóng mang con Trong một hệ thống OFDM, luồng dữ liệu đầu vào được chia thành các luồng con song song với tốc độ giảm (và như vậy tăng khoảng thời gian của ký hiệu – symbol) mỗi luồng con được được điều chế và truyền trên một sóng mang con trực giao tách biệt Khoảng thời gian cho mỗi symbol tăng sẽ cải thiện khả năng chống lại trễ lan truyền của OFDM Hơn nữa, tiền tố vòng - CP có thể loại bỏ nhiễu xuyên ký tự (ISI) miễn là thời lượng CP lâu hơn trễ kênh lan truyền CP chính là sự lặp lại phần dữ liệu gồm các mẫu cuối của khối được gắn vào trước một tải tin

Chính CP chống lại nhiễu liên khối và làm kênh quay vòng và cho phép cân bằng miền tần số với độ phức tạp thấp Tuy vậy, một hạn chế của CP là nó được thêm vào trước tải tin làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông

OFDM khai thác sự phân tập tần số của kênh đa đường bằng cách mã hoá và chèn thông tin trên các sóng mang con trước khi truyền đi Điều chế OFDM có thể thực hiện được với biến đổi ngược Fourier nhanh - IFFT, phép biến đổi này cho phép một số lượng lớn các sóng mang con (lên tới 2048) với độ phức tạp thấp

Trong hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính là các symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con Tài nguyên về thời gian và tần số có thể được tổ chức thành các kênh con cấp phát cho người dùng

OFDMA là một nguyên lý đa truy cập cho phép ghép kênh các luồng dữ liệu của nhiều người dùng trên các kênh con hướng xuống và đa truy cập hướng lên thông qua các kênh con hướng lên Bằng cách này, OFDMA cải thiện hiệu suất chung của mạng bằng cách tăng dung lượng mạng và giảm độ trễ cho người dùng.

SOFDMA cũng là OFDMA chỉ khác nhau đó là trong SOFDMA thì kích thước FFT có thể thay đổi tuỳ theo độ rộng băng tần nhưng khoảng cách giữa các sóng mang con là không đổi 10.94KHz Còn trong OFDMA có kích thước FFT cố định là 2048

802.16m sử dụng OFDMA như một phương pháp đa truy nhập trong cả đường lên (UL) và đường xuống (DL) Nó hỗ trợ cả TDD và FDD bao gồm hoạt động bán song công HFDD của trạm di động trong mạng FDD Quá trình xử lý băng thông cơ sở và các thuộc tính của cấu trúc khung đều dựa trên cả hai phương pháp này

Siêu khung là một khái niệm mới được giới thiệu trong IEEE 802.16m [6] Siêu khung bắt đầu được đánh dấu bởi header siêu khung Header siêu khung mang các thông tin cấu hình hệ thống ngắn hạn và dài hạn Để giảm độ trễ truy nhập, các khung vô tuyến được chia thành các khung nhỏ (subframes), ở đó mỗi subframe bao gồm một số nguyên lần các symbols OFDMA Khoảng thời gian truyền được xác định cũng như trễ truyền qua đường truyền không dây và bằng nhiều lần độ dài subframe (mặc định là 1 frame) Có 3 loại subframe phụ thuộc vào dung lượng của tiền tố vòng:

- Subframe loại 1 gồm có 6 symbols

- Subframe loại 2 gồm có 7 symbols

- Subframe loại 3 gồm có 5 symbols

Việc sử dụng khái niệm subframe có thông số thứ hai được thiết lập nhằm mục đích giảm thiểu độ trễ trên kênh vô tuyến, từ 15 ms xuống còn nhỏ hơn 10 ms.

Hình 2.1 Cấu trúc khung căn bản của 802.16m

2.1.2.3 Điều chế và mã hóa

IEEE 802.16m hỗ trợ các phương pháp điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM cho cả đường lên và đường xuống Ánh xạ các bit vào các điểm của chòm sao phụ thuộc vào phương pháp sắp xếp chòm sao sử dụng cho truyền lại HARQ, giúp giảm thiểu tỷ lệ lỗi gói nhờ sự điều chỉnh tín hiệu phù hợp vào chòm sao.

Sự truyền dẫn của các sóng mang dẫn đường trong đường xuống được yêu cầu để cho phép ước lượng kênh, đo chất lượng kênh, ước lượng offset tần số IEEE 802.16m hỗ trợ cả hai cấu trúc pilot chung và pilot riêng Các pilot chung có thể được sử dụng bởi tất cả các trạm di động Các pilot riêng có thể được sử dụng cho cả phân phối địa phương và phân phối phân tán Để khắc phục nhiễu pilot xung quanh các sector hoặc các BS gần nhau, một cấu trúc pilot hỗn hợp được sử dụng bằng cách dịch vòng mô hình pilot căn bản Như vậy các pilot của các cell gần nhau sẽ không bị chồng lặp

Các pilot UL được dành riêng để định vị và phân bố đơn vị tài nguyên và được tiền mã hóa Cấu trúc pilot UL được xác định cho 4 chuỗi với mô hình trực giao [6]

Kiến trúc mạng WIMAX

Hình 2.2 Kiến trúc mạng WiMAX Để thiết lập một mạng WiMAX ta cần có các trạm phát BS Nhiều BS sẽ được kết nối, quản lý bởi một ASN gateway ASN Gateway này là thực thể miêu tả trong WiMAX Forum, trong các mạng triển khai thực tế thì người ta hay gọi là WAC (WiMAX Access Controller) Nhiều WAC tập hợp lại tạo thành một ASN Nếu so sánh với mạng thông tin di động thì WAC/ASN GW giống như là BSC/RNC Nhiều ASN có thể kết nối với nhau thông qua giao diện R4

Các thành viên tham gia diễn đàn của WiMAX nhận dạng một mô hình tham chiếu mạng (NRM) WiMAX đó là sự biểu diễn logic kiến trúc mạng NRM nhận dạng thực thể chức năng và các điểm tham khảo và qua đó chức năng liên mạng đạt được nhờ chính các thực thể chức năng này Hình 2.3 minh hoạ mô hình NRM bao gồm các thực thể logic: MS, ASN, và CSN và các điểm tham chiếu nhận dạng duy nhất cho chức năng kết nối liên mạng của các thực thể này Hình 2.3 cũng mô tả các điểm tham chiếu chuẩn R1-R5 Mỗi thực thể MS, ASN và CSN biểu diễn cho một nhóm thực thể chức năng Mỗi chức năng có thể được thực hiện trong một thiết bị vật lý riêng lẻ hoặc có thể được phân phối qua nhiều thiết bị vật lý Các chức năng nhóm và phân phối trong các thiết bị vật lý trong phạm vi một thực thể chức năng (chẳng hạn ASN) là một lựa chọn triển khai; một nhà máy có thể chọn sản xuất bất kỳ chức năng nào, hoặc là chức năng đơn lẻ hoặc kết hợp, nhưng phải thoả mãn yêu cầu chức năng và tính liên kết nối mạng Xu hướng của NRM là cho phép nhiều tùy chọn triển khai cho một thực thể chức năng, và đạt được tính liên kết nối mạng giữa các thực thể khác nhau Tính liên kết nối mạng dựa trên định nghĩa các giao thức truyền thông và xử lý loại dữ liệu giữa các thực thể để đạt được chức năng tổng thể từ đầu cuối đến đầu cuối (end-to-end) chẳng hạn như chức năng quản lý di động và bảo mật Do vậy các thực thể chức năng ở phía kia của điểm tham chiếu đại diện một tập các điều khiển và các điểm đầu cuối trên mặt phẳng truyền

Hình 2.3 Mô hình tham chiếu mạng WiMAX

ASN định nghĩa một đường biên logic và biểu diễn theo một cách thuận lợi để mô tả tập hợp các thực thể chức năng và các luồng bản tin tương ứng kết hợp với các dịch vụ truy nhập ASN biểu diễn đường biên cho chức năng liên kết nối với các mạng WiMAX khách (client), các chức năng dịch vụ kết nối WiMAX và tập các chức năng của nhiều nhà cung cấp khác nhau Việc ánh xạ các thực thể chức năng bằng các thực thể logic trong phạm vi các ASN được mô tả trong mô hình NRM có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau WiMAX Forum đang trong quá trình xây dựng các tiêu chuẩn mạng theo cách có thể cho phép nhiều hình thức triển khai của các nhà cung cấp Chính điều này tạo nên tính liên kết nối và thích hợp cho phân tập diện rộng các yêu cầu triển khai

Mạng dịch vụ kết nối – CSN được định nghĩa là một tập các chức năng mạng cung cấp các dịch vụ kết nối IP cho các thuê bao WiMAX Một CSN có thể gồm các phần tử mạng như router máy chủ/ proxy nhận thực AAA, cơ sở dữ liệu người dùng và thiết bị cổng liên mạng Một CSN có thể được triển khai như một phần của nhà cung cấp dịch vụ mạng WiMAX GreenField – NSP WiMAX

Hình 2.4 Cấu trúc mạng WiMAX trên nền IP

Các đặc tính mạng cho hệ thống WiMAX dựa trên các nguyên lý kiến trúc mạng cơ bản bao gồm:

- Cung cấp khả năng tách biệt logic giữa các thủ tục và đánh địa chỉ IP, thủ tục điều hành kết nối - định tuyến và các giao thức cho phép sử dụng nguyên gốc kiến trúc truy nhập trong các hình thức kết nối liên mạng và riêng mạng

- Hỗ trợ khả năng chia sẻ ASN của nhà cung cấp NAP giữa các nhà cung cấp NSP

- Hỗ trợ dịch vụ cung cấp NSP đơn lẻ trên nhiều ASN – được quản lý bởi một hoặc nhiều NAP

- Hỗ trợ khả năng phát hiện và lựa chọn NSP khả nhập bởi một MS hoặc SS

- Hỗ trợ NAP để triển khai một hoặc nhiều sơ đồ mạng ASN

- Hỗ trợ truy nhập dịch vụ của nhà cung cấp hiện hành thông qua các chức năng liên mạng

Đặc tính của điểm tham chiếu mở và xác định giữa các thực thể chức năng mạng (trong phạm vi một ASN, giữa các ASN, giữa một ASN và một CSN, và giữa các CSN) và giữa một MS, ASN và CSN cho phép kết nối nhiều nhà cung cấp Điều này giúp loại bỏ tình trạng phụ thuộc vào một nhà cung cấp duy nhất và cho phép các doanh nghiệp và cá nhân truy cập vào nhiều tùy chọn kết nối và dịch vụ hơn.

Hỗ trợ các đường tiến hóa giữa các mô hình khác nhau thông qua các ràng buộc kỹ thuật và giả định hợp lý; cho phép triển khai các nhà cung cấp khác nhau bằng cách kết hợp linh hoạt các thực thể chức năng trên các thực thể mạng vật lý; đồng thời đảm bảo tính tương thích với các giao thức chuẩn và thủ tục của các điểm tham chiếu khả dụng được định nghĩa trong các đặc tính mạng.

- Hỗ trợ hình thức thử để triển khai đơn lẻ một ASN cùng với một tập hữu hạn các chức năng CSN, nhờ đó nhà khai thác có thể cung cấp dịch vụ truy nhập

Internet mà không cần quan tâm đến chuyển vùng hoặc kết nối với mạng khác (interworking)

Kiến trúc WiMAX cũng cho phép cả dịch vụ IP và Ethernet trong một mạng tương thích IP di động chuẩn Độ linh động và khả năng kết nối mà mạng WiMAX hỗ trợ cung cấp cho các nhà khai thác khả năng triển khai mạng WiMAX với chi phí thấp ngay cả khi triển khai ASN kết hợp giữa phân tập và tập trung.

Mô hình truyền thông IPTV

IPTV là tên viết tắt của cụm từ Internet Protocol Television – truyền hình qua giao thức Internet IPTV được định nghĩa là các dịch vụ đa phương tiện như truyền hình ảnh, tiếng nói, văn bản, dữ liệu,… được phân phối qua các mạng dựa trên IP mà được quản lý để cung cấp các mức chất lượng dịch vụ, bảo mật, tính tương tác, độ tin cậy theo yêu cầu

Như vậy, IPTV đóng vai trò phân phối các dữ liệu, kể cả hình ảnh, âm thanh, văn bản qua mạng sử dụng giao thức IP Điều này nhấn mạnh vào việc Internet không đóng vai trò chính trong việc truyền tải thông tin truyền hình hay bất kỳ loại nội dung truyền hình nào khác Thay vào đó, IPTV sử dụng IP là cơ chế phân phối mà theo đó có thể sử dụng Internet, đại diện cho mạng công cộng dựa trên IP, hay có thể sử dụng mạng riêng dựa trên IP

Dịch vụ IPTV bao gồm truyền trực tiếp và truyền theo yêu cầu Để sử dụng được IPTV khách hàng cần có máy tính hoặc Set Top Box kết nối với TV Nội dung video thường được nén sau đó mới gửi trong dòng truyền MPEG phân phối trên mạng theo giao thức IP Người ta dùng cơ chế truyền multicasting cho các chương trình truyền trực tiếp, và unicasting cho trường hợp truyền theo yêu cầu Ở phía nhà cung cấp dịch vụ, các chương trình TV được mã hóa MPEG- 2/MPEG-4 và gửi các dòng bít theo chuẩn DVB để truyền tới nhà cung cấp dịch vụ IPTV Ở headend của nhà cung cấp dịch vụ IPTV, các chương trình TV được thu nhận và có thể được mã hóa lại theo yêu cầu Các nhà cung cấp có thể can thiệp vào dòng truyền video để chèn quảng cáo, chèn các nội dung của họ… Tại đây, nhà cung cấp cũng kiểm soát và quản lý các vấn đề khác như: quyền truy cập, hóa đơn, các yêu cầu đổi kênh, truyền phim theo yêu cầu,… Các dòng bít truyền sau đó được đóng gói theo giao thức IP và truyền trên mạng của nhà cung cấp Ở phía khách hàng, các gateway đóng vai trò như là điểm cuối của mạng Internet và là điểm bắt đầu của mạng trong nhà Nó thực hiện truyền lưu lượng dữ liệu từ Internet đến thuê bao và ngược lại User sử dụng bộ Set Top Box hoặc máy tính kết nối đến mạng trong nhà để nhận dữ liệu và giải mã nội dung Nhìn chung, người sử dụng yêu cầu IPTV phải cung cấp dịch vụ như truyền hình truyền thống Họ kỳ vọng sẽ mở TV, tìm kênh, xem và không muốn đường truyền bị tạm dừng, gián đoạn Hơn nữa, họ không muốn đợi vài giây khi chuyển kênh và nhất là khó chịu khi phải xem các chương trình bị giật, gián đoạn Đây là những thách thức chính đối với những nhà cung cấp dịch vụ IPTV

Khi truyền video với mạng đạt yêu cầu QoS cũng có thể xảy ra lỗi Với kiểu truyền unicasting, STB có thể yêu cầu server gửi lại các gói dữ liệu bị mất hoặc bị hỏng nhưng với kiểu truyền multicasting thì điều này là không thể, nên một yêu cầu quan trọng là mạng phải được thiết kế đảm bảo được chất lượng Do đó, nhà cung cấp dịch vụ tập trung quan tâm đến chất lượng của các dịch vụ phân phối trên mạng của họ, không quan tâm đến các dịch vụ của những nhà cung cấp khác trên mạng Internet Để đảm bảo chất lượng QoS, nhà cung cấp sẽ ưu tiên lưu lượng đường truyền cho các dịch vụ của họ nhằm khắc phục trễ, hư hỏng tín hiệu Họ sẽ kiểm soát end-to-end để đảm bảo yêu cầu chất lượng QoS

Những tiến vượt bậc trong truy cập mạng Internet băng rộng và các kỹ thuật mã hóa video linh hoạt như mã hóa video cải tiến H.264/MPEG-4 đã dẫn đến sự phát triển của IPTV Nhờ vào sự đảm bảo về kỹ thuật do tiến bộ của công nghệ và việc cạnh tranh khốc liệt trên thị trường hiện nay đã thúc đẩy nhiều công ty viễn thông chuyển từ việc cung cấp các dịch vụ dữ liệu đơn giản sang cung cấp các dịch vụ Triple Play hoặc thậm chí là Quadruple Play trên cơ sở hạ tầng của họ nhằm đảm bảo khả năng tồn tại và tìm kiếm nguồn lợi nhuận mới Từ đó, IPTV được các công ty viễn thông xem như dịch vụ sẽ mang lại các giá trị mới cho khách hàng hiện nay của họ và là cơ sở cho phép họ phát triển các dịch vụ kinh doanh mới trong tương lai

2.3.2 Mô hình truyền thông IPTV

Mô hình truyền thông IPTV có 7 lớp và 1 lớp tùy chọn được xếp chồng lên nhau

Các dữ liệu video ở phía thiết bị gửi được truyền từ lớp cao xuống lớp thấp trong mô hình IPTV, và được truyền đi trong mạng băng rộng bằng các giao thức của lớp vật lý Ở thiết bị nhận, dữ liệu nhận được chuyển từ lớp thấp nhất đến lớp trên cùng trong mô hình IPTV

Physical layer HFC, xDSL, FTTx or wireless networks

Hình 2.5 Mô hình truyền thông IPTV

Do đó, nếu một bộ mã hóa gửi chương trình video đến một thiết bị IPTV của khách hàng, thì phải chuyển qua các lớp trong mô hình IPTV ở cả phía thiết bị nhận và thiết bị gửi Mỗi lớp trong mô hình IPTV độc lập với nhau và có chức năng riêng Khi chức năng này được thực hiện, dữ liệu video được chuyển đến lớp tiếp theo trong mô hình IPTV Mỗi lớp sẽ thêm vào hoặc bỏ đi phần thông tin điều khiển của các gói video trong quá trình xử lí Thông tin điều khiển chứa các thông tin giúp thiết bị có thể sử dụng gói dữ liệu đúng chức năng của nó, và thường được định dạng như các header hoặc trailer Bên cạnh việc truyền thông giữa các lớp, còn có các liên kết ảo giữa các tầng cùng mức 7 lớp và 1 lớp bổ sung trong mô hình IPTV có thể được chia làm 2 loại: các lớp cao và lớp thấp Các tầng cao hơn thì quan tâm nhiều hơn tới các ứng dụng của IPTV và các định dạng file, trong khi các tầng thấp hơn thì quan tâm tới việc truyền tải các nội dung

Mô hình IPTV và truyền tải các nội dung MPEG a) Lớp mã hóa video

Quá trình truyền thông bắt đầu với nén tín hiệu, chuyển đổi tín hiệu tương tự hoặc số thành dạng số Đầu ra của quá trình này là các dòng dữ liệu cơ bản MPEG, là tín hiệu số liên tục thời gian thực Các dòng cơ bản có nhiều loại, chẳng hạn như "dòng âm thanh cơ bản" dùng để mã hóa âm thanh, đại diện cho tín hiệu thô từ bộ mã hóa Mỗi dòng cơ bản được chia thành các khung, chứa thông tin như:

- Loại khung và tốc độ

- Vị trí của những block dữ liệu trên màn hình

- Các dòng cơ bản là nền tảng để tạo nên các dòng MPEG b) Lớp đóng gói video Để truyền các dòng âm thanh, dữ liệu và hình ảnh cơ bản qua mạng số, mỗi dòng cơ bản này phải được chuyển đổi sang một dòng được chèn của gói PES đã được đánh dấu thời gian (PES- parketized Element Stream) Một dòng PES chỉ bao gồm một loại dữ liệu từ một nguồn Một gói PES có thể có kích thước khối cố định hoặc thay đổi, có thể lên tới 65536 byte/gói Bao gồm 6 byte header, và số byte còn lại chứa nội dung chương trình

Do bản chất của mạng, thứ tự hay chuỗi các khung video từ lối ra của trung tâm dữ liệu IPTV có thể khác thứ tự các khung do các thiết bị của người dùng nhận được Do đó, để giúp đỡ quá trình đồng bộ, các hệ thống dựa trên MPEG thường dán nhãn các gói PES khác nhau trong chuỗi video

Có 2 loại nhãn thời gian được sử dụng đối với mỗi gói PES: nhãn thời gian trình diễn (PTS), và nhãn thời gian giải mã (DTS):

- PTS (presentation time stamp) nhãn thời gian trình diễn có giá trị thời gian 33 bit, được đặt trong trường PES header Mục đích của việc sử dụng PTS cho mỗi gói là để xác định xem khi nào và theo trật tự nào thì gói đó được xem (bởi người xem)

- DTS (decode time stamp) nhãn giải mã để sử dụng giúp bộ giải mã ở thiết bị của người sử dụng biết khi nào xử lý gói đó

Như đã chỉ ra ở trên, thứ tự các gói được truyền đi qua mạng khác với thứ tự các gói nhận được ở thiết bị của người sử dụng Thiết bị người sử dụng IPTV sẽ dùng các nhãn PTS và DTS để tái tạo lại nội dung video gốc Bên cạnh việc gửi đi các nội dung nén MPEG-2, PES còn có khả năng truyền tải các khối H.264/AVC qua mạng IPTV c) Lớp cấu trúc dòng truyền tải

Tầng tiếp theo của mô hình truyền thông IPTV đảm nhiệm vai trò tạo ra dòng truyền tải, bao gồm một dòng liên tiếp các gói Các gói này thường được gọi là gói TS, được tạo thành bằng cách ngắt các gói PES thành các gói TS với kích thước cố định 188 byte và độc lập với thời gian Việc sử dụng thời gian độc lập này làm giảm khả năng mất gói tin trong quá trình truyền tải và giảm nhiễu Mỗi gói TS chứa một trong ba định dạng: dữ liệu, âm thanh hoặc hình ảnh Do đó, các gói TS luôn mang một loại hình truyền thông duy nhất.

Lớp này cũng cung cấp chức năng để tạo ra các dòng chương trình Một dòng chương trình là một gói PES chứa một vài dòng cơ bản được mã hóa sử dụng cùng đồng hồ chủ, hoặc đồng hồ hệ thống Các kiểu dòng này được phát triển cho những ứng dụng như lưu trữ nội dung video trên các đĩa quang hoặc đĩa cứng

Khi TS được cấu trúc và định dạng, nó sẽ được chuyển xuống lớp truyền tải trực tiếp hoặc tới lớp sử dụng giao thức truyền tải thời gian thực (RTP) d) Lớp giao thức truyền tải thời gian thực

Triển khai IPTV trên WiMAX

Với sự phổ biến của truyền thông không dây hiện nay, việc ứng dụng IPTV trên mạng không dây hứa hẹn sẽ giúp cho các dịch vụ IPTV hiện nay có nhiều thuận tiện, linh hoạt, chi phí thấp nhờ các ưu thế về kỹ thuật của mạng diện rộng không dây WMAN như IEEE 802.16m Kỹ thuật WiMAX dựa trên chuẩn 802.16m hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên đến 100 Mbps đối với di động và 1Gbps đối với cố định trên khoảng cách 100Km Hiện nay, WiMAX là hệ thống không dây băng rộng có khả năng hỗ trợ chất lượng QoS ở tốc độ dữ liệu cao trên nền tảng IP

WiMAX hỗ trợ rtPS giúp đảm bảo băng thông và thời gian trễ tối thiểu cho các dịch vụ video đòi hỏi chất lượng QoS cao Sử dụng điều chế OFDM, OFDMA, FEC tăng cường chất lượng dịch vụ WiMAX là mạng truy cập IP hỗ trợ chuyển giao dữ liệu dựa trên mạng lõi Do đó, WiMAX phù hợp để mở rộng dịch vụ IPTV không dây và di động Mặc dù hiện nay nhiều nhà cung cấp viễn thông triển khai IPTV trên cáp quang, nhưng trong tương lai, WiMAX được kỳ vọng là hướng phát triển triển vọng cho IPTV, đáp ứng nhu cầu thiết bị di động và triển khai ở khu vực khó khăn.

2.4.2 Các nhân tố thành công chính khi triển khai IPTV trên WiMAX

Phân phối nội dung trực tiếp và đảm bảo chất lượng: đối với người sử dụng chất lượng dịch vụ và chất lượng trải nghiệm đã được nhận định như là các yêu cầu bắt buộc của các dịch vụ IPTV Nội dung IPTV có thể được xem lướt như thực hiện với các Website trên Internet Việc xem trực tiếp hoặc theo yêu cầu các nội dung không được quản lý (nội dung hỗ trợ từ các dịch vụ và nhà cung cấp media thứ 3 trên toàn thế giới) sẽ được đáp ứng theo khả năng thực tế tại thời điểm truy cập (phụ thuộc vào băng thông mạng, khả năng đáp ứng của nhà cung cấp dịch vụ,…) Trên thực tế, một kênh IPTV vẫn có những hạn chế về đảm bảo chất lượng dịch vụ và trải nghiệm so với các dịch vụ TV truyền thống trên cáp, vệ tinh, mặt đất,… Do đó, việc hỗ trợ quản lý và đảm bảo chất lượng theo thời gian biểu phát sóng các chương trình SDTV mới phần nào đáp ứng được yêu cầu bước đầu để phát triển thành công dịch vụ IPTV

Khả năng truyền multicasting: ưu điểm lớn nhất của WiMAX là khả năng multicasting của nó Kỹ thuật multicasting cho phép trạm gốc BS gởi các gói video đến một tập các trạm Ví dụ, trực tiếp một chương trình với một số lớn người xem có thể xem được chương trình đồng thời Dùng đặc điểm multicasting của WiMAX, tất cả người sử dụng đều được phục vụ chương trình mà chỉ cần một băng thông nhỏ Điều này có thể ứng dụng mở rộng cho bất kỳ chương trình TV nào muốn phục vụ cho nhiều người xem

Thông tin cộng thêm vào dữ liệu: Trong hệ thống làm việc theo gói, mỗi lớp được cộng thêm một lượng thông tin đáng kể vào đầu gói, do đó làm giảm hiệu quả băng thông của dữ liệu chính nằm trong phần payload WiMAX giải đóng gói các frame ở lớp MAC, nên nó có thể loại bỏ thông tin header payload và kỹ thuật nén theo thứ tự sẽ giảm số lượng thông tin cộng thêm ở lớp vật lý và lớp MAC

Thiết kế máy thu phát: Các hệ thống WiMAX dùng máy thu phát vô tuyến có hiệu suất cao Các thông số của máy thu phát có độ ổn định cao, nhiễu thấp, mức tuyến tính cao Bên cạnh đó, để hỗ trợ IPTV và các ứng dụng video thì yêu cầu băng thông rộng cũng được đáp ứng

Tiêu thụ nguồn: Việc tiêu thụ nguồn là một vấn đề quan trọng khác trong thiết kế hệ thống WiMAX nhằm hỗ trợ các dịch vụ IPTV Một chương trình TV có thể diễn ra trong vài giờ, do đó hệ thống phân phối sẽ tiêu thụ nguồn nhiều Một cách tốt để giảm tiêu thụ nguồn là thực thi các chế độ hoạt động khác nhau thay đổi theo yêu cầu (ví dụ chế độ không sử dụng, chế độ ngủ,…) Một cách khác để tiết kiệm năng lượng là dùng máy thu có độ nhạy cao

Khả năng hệ thống: hệ thống phải có khả năng hỗ trợ nhiều người sử dụng Cách tốt để gia tăng khả năng của hệ thống là dùng anten có độ lợi cao có thể phân phối trên nhiều hướng đến một lượng lớn khách hàng

Khả năng di động: IPTV được kỳ vọng cung cấp khả năng truy cập mọi nơi với khả năng hỗ trợ di động Việc cung cấp các dịch vụ đến người dùng di động luôn gặp nhiều thách thức, đặc biệt là với các dịch vụ multimedia Tuy nhiên, với ưu điểm của WiMAX là hỗ trợ truyền dữ liệu ở tốc độ di chuyển cao, đặc điểm mà các hệ thống truyền hình cáp không có được đã tạo ra ưu thế lớn cho WiMAX

Tối đa số thuê bao: Rõ ràng, sự thành công của việc triển khai các dịch vụ IPTV được xác định theo thời gian phát triển và của các hoạt động mang lại lợi nhuận

Việc đạt được số thuê bao tối đa sớm nhất có thể với chương trình, dịch vụ IPTV triển khai mới là đích đến cho bất kỳ nhà cung cấp dịch vụ nào Trong thực tế, việc truy cập dựa trên mạng xDSL và cáp băng rộng không phải luôn sẵn sàng đáp ứng với các vùng có khoảng cách địa lý lớn hoặc mật độ người sử dụng thưa

WiMAX là giải pháp kỹ thuật mới triển khai mạng truy cập hiệu quả, dễ dàng mở rộng tương tự các công nghệ khác nhưng có vùng phủ sóng rộng hơn, băng thông cao hơn Chi phí hạ tầng và cung cấp dịch vụ của WiMAX cực kỳ thấp Việc cung cấp dịch vụ IPTV trên WiMAX bổ sung cho IPTV hiện nay khả năng phục vụ số lượng thuê bao tối đa sử dụng chung cơ sở hạ tầng và giúp người dùng di động dễ dàng tiếp cận nội dung video hơn.

Phát triển nhanh mạng truy cập băng rộng không dây: Các công ty viễn thông đã và đang nỗ lực tìm cách để hỗ trợ các dịch vụ triple hoặc quadruple WiMAX được xem như một giải pháp để cung cấp các dịch vụ mới như truy cập mạng băng rộng không dây và voice di động trên nền IP Việc triển khai IPTV trên WiMAX có thể đạt được hiệu quả cao như giảm chi phí khi cung cấp được nhiều dịch vụ hơn so với các dịch vụ hiện có trên cùng một cơ sở hạ tầng

Những xu hướng tương lai của IPTV được dự đoán bao gồm hỗ trợ di động, cho phép truy cập nội dung không được quản lý và phát video chất lượng cao HDTV Về mặt kỹ thuật, WiMAX được hỗ trợ ở mức cấp phát băng thông chuyên dụng và cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) nghiêm ngặt cho 4 loại dịch vụ.

UGS, rtPS, BE, NLOS Việc hỗ trợ rtPS trong truy cập băng rộng không dây sẽ đảm bảo các yêu cầu về băng thông đối với các nội dung được quản lý của các nhà cung cấp dịch vụ IPTV, đặc biệt là đối với các kênh HDTV và SDTV có trả tiền Hiện nay, ngày càng nhiều cổng thông tin trên mạng Internet cung cấp phong phú nguồn nội dung và video theo yêu cầu miễn phí, sức thu hút sẽ rất lớn khi cho phép không chỉ các thuê bao IPTV mà còn các người dùng di động truy cập đến nguồn nội dung không được quản lý này mà không ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu năng của các nội dung có trả tiền khác Sự kết hợp của các dịch vụ rtPS và BE có thể được tính toán để hỗ trợ các yêu cầu này nhằm đạt được sự linh hoạt và kinh tế nhất mà không làm ảnh hưởng chất lượng của hệ thống phân phối Việc mở rộng khả năng hỗ trợ các xu hướng tương lai của dịch vụ IPTV trên cơ sở hạ tầng mạng truy cập WiMAX tạo ra viễn cảnh phát triển lâu dài hứa hẹn mang đến hiệu quả kinh tế cho hoạt động IPTV

2.4.3 Cấu trúc hệ thống triển khai IPTV trên WiMAX 2.4.3.1 Cấu trúc hệ thống dùng WiMAX

Sơ đồ cấu trúc một hệ thống phân phối IPTV trên WiMAX (đến một thuê bao cố định) minh họa trong hình 2.7

Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc dịch vụ IPTV trên WiMAX (cho thuê bao cố định)

Hình 2.8 Phân bố dịch vụ IPTV trên WiMAX cho thuê bao cố định và di động

Sơ đồ khối hệ thống kênh thông tin vô tuyến số

Hình 2.15 Sơ đồ khối mô hình hệ thống kênh truyền vô tuyến số

Máy phát tín hiệu: thường gồm hai khối chính đó là khối phát tín hiệu cao tần và khối xử lý tín hiệu phát băng tầng gốc Khối phát tín hiệu cao tần bao gồm các tầng chính như: tầng biến đổi nâng tần, tầng khuếch đại công suất và anten Khối xử lý tín hiệu phát băng tần gốc gồm các tầng như: tầng định dạng tín hiệu và giới hạn băng tần tín hiệu, tầng lấy mẫu và mã hóa tín hiệu số, tầng mã hóa kênh, tầng ghép kênh dữ liệu, tầng điều chế số Khối xử lý và khôi phục tín hiệu băng tần gốc Đối với kênh truyền vô tuyến số dùng kỹ thuật trải phổ thì có thêm tầng trải phổ tín hiệu CDMA và tầng đa truy nhập vô tuyến

- Định dạng tín hiệu là giới hạn băng thông của tín hiệu để nguồn tin tương thích với quá trình xử lý của hệ thống

Mã hóa tín hiệu số là quá trình chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số Với các nguồn tin số, khối mã hóa này được thay thế bằng khối giao tiếp số.

- Mã hoá kênh: Có nhiệm vụ chèn thêm bit sửa sai, để máy thu nhận biết và sửa sai các bit thu sai nhằm làm giảm xác suất lỗi bit, tăng chất lượng tín hiệu

- Ghép kênh tín hiệu: Cho phép kết hợp nhiều kênh tín hiệu số khác nhau để hình thành kênh dữ liệu có tốc độ cao nhằm sử dụng hiệu quả kênh truyền

- Điều chế số: Thực hiện biến đổi các chuỗi tín hiệu số vào sóng mang để hình thành dạng tín hiệu phát thích hợp với kênh truyền vô tuyến

- Trải phổ: là quá trình tích hợp các chuỗi dữ liệu với chuỗi mã trải ngẫu nhiên có tốc độ chip cao hơn để tạo ra tín hiệu có phổ rộng hơn, ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu và tăng độ bảo mật của tín hiệu

- Đa truy nhập: là tạo ra các phương thức truyền tín hiệu trong không gian khác nhau về tần số, về thời gian, mã trải nhằm tăng hiệu quả kênh truyền Đa truy nhập cho phép hệ thống có nhiều nguồn dữ liệu khác nhau, kênh truyền khác nhau để chia sẻ nguồn tài nguyên vô tuyến

Máy thu bao gồm khối thu tín hiệu với anten, bộ khuếch đại và bộ biến đổi hạ tần; khối xử lý tín hiệu với giải điều chế số, phân chia kênh dữ liệu, giải mã hóa kênh và giải mã hóa tín hiệu số; khối khôi phục tín hiệu và giới hạn băng thông Với truyền vô tuyến số CDMA, máy thu có thêm tầng xử lý đa truy nhập và giải trải phổ.

- Khối giải điều chế: thực hiện phép biến đổi ngược của khối điều chế, tín hiệu thu được là dạng số

- Khối phân kênh: thực hiện việc chia các luồng dữ liệu thu theo thứ tự kênh tín hiệu truyền

- Khối giải mã kênh: thực hiện việc tách các biết sửa sai và điều khiển sửa các bit dữ liệu thu sai

- Khối giải mã tín hiệu số: biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự để đưa về các đầu cuối

Ngoài ra, khi nói đến kênh truyền vô tuyến thì người ta phải nói đến môi trường truyền sóng trong không gian tự do Kênh vô tuyến là sóng điện từ bức xạ từ anten máy phát, trên kênh tần số fTx(Hz), lan truyền trong không gian đến anten máy thu, máy thu chọn tín hiệu thu có tần số thu fRx(Hz)=f Tx (Hz) Sóng lan truyền trong không gian tự do, chịu tác động của môi trường, kết quả nghiên cứu cho thấy các tham số chính của môi trường truyền sóng bao gồm các tham số về suy hao, can nhiễu, trễ tín hiệu, phản xạ và tán xạ nhiều tia sóng.

Các thông số chính của hệ thống thông tin vô tuyến số

Tham số chính để so sánh, đánh giá chất lượng và tính hiệu quả của hệ thống thông tin số đó là dung lượng và chất lượng Dung lượng là tốc độ cực đại của luồng dữ liệu truyền được qua kênh truyền, dung lượng được đo lường bằng thông số tốc độ truyền dẫn Rb(bit/s) hay độ rộng băng thông kênh truyền Chất lượng kênh truyền là độ trung thực giữa luồng dữ liệu số khôi phục ở đầu thu so với luồng dữ liệu phát, chất lượng được đo lường bằng thông số tỉ số lỗi bit BER

Theo lý thuyết Shannon, thông lượng kênh truyền tỉ lệ thuận với băng thông kênh truyền như công thức (2.3)

(2.3) Trong đó C(bit/s) là thông lượng kênh truyền, W là băng thông, Pav là công suất tín hiệu, N0 là mật độ phổ công suất nhiễu Băng thông cần thiết để truyền tín hiệu điều chế thì tỉ lệ thuận với tốc độ luồng dữ liệu và tỉ lệ nghịch với số mức điều chế như (2.4)

(2.4) Trong đó R0 là tốc độ truyền, M là số mức điều chế,  là hệ số của bộ lọc cosin (roll off factor) Xác suất lỗi bit tín hiệu thu tăng tỉ lệ thuận với số mức điều chế như công thức (2.5), đối với tín hiệu điều pha số MPSK và theo công thức (2.6), đối với tín hiệu điều chế biên độ cầu phương MQAM:

(2.6) Trong đó Pb là xác suất thu sai, k là số bit trong một symbols tín hiệu điều chế, M=2 k Xác suất lỗi bit tín hiệu thu tăng tỉ lệ thuận với tỉ số mã hóa như công thức (2.7)

Trong đó ad là hệ số của hàm truyền đạt mã hóa kênh,  C là tỉ số SNR, rC là tỉ số mã hóa, d là độ dài Hamming Hàm Q(*) được định nghĩa như công thức (2.8)

(2.8) Để nâng cao chất lượng kênh truyền vô tuyến, giảm xác suất thu sai thì tại đầu phát tín hiệu cần phải tăng thêm bit phát hiện và sửa sai để gắn vào luồng dữ liệu người dùng Như vậy bản tin cần phải truyền tại đầu phát có số lượng bit tăng lên, để truyền hết bản tin này đúng theo đơn vị thời gian quy định, thì phải tăng tốc độ truyền dẫn tín hiệu; giảm tỉ số mã hóa tín hiệu rC , như vậy sẽ làm tăng độ rộng phổ tín hiệu điều chế, tăng băng thông kênh truyền, đồng thời nhu cầu của người dùng cần được cung cấp luồng dữ liệu băng rộng ngày càng tăng; trong khi đó băng thông kênh truyền thì có giới hạn Để làm giảm độ rộng phổ tín hiệu điều chế, tiết kiệm băng thông kênh truyền thì cần tăng số mức tín hiệu điều chế số M, nhưng khi đó thì xác suất thu sai tăng lên, chất lượng kênh truyền giảm xuống

Để đáp ứng cả chất lượng và dung lượng trong hệ thống truyền thông không dây số, giải pháp mã hóa hiệu quả được tích hợp trong phần mã hóa kênh, còn giải pháp dung lượng tối ưu được thực hiện trong phần điều chế Do đó, thách thức lớn nhất trong quá trình phát triển là tìm kiếm phương pháp mã hóa và điều chế kết hợp hiệu quả nhất.

Ngày nay, đỉnh cao của sự phát triển các hệ thống thông tin vô tuyến số là công nghệ phát triển điện thoại di động số Tiêu chuẩn chính của sự phát triển hệ thống điện thoại di động số là sự phát triển các thiết bị MS Yêu cầu của thiết bị MS là cần có kích thước nhỏ gọn, ít tiêu hao năng lượng, sử dụng được nhiều ứng dụng truy cập dữ liệu, chất lượng thu phát tín hiệu tốt, ít chịu ảnh hưởng của môi trường di động.

Mô hình kênh truyền AWGN

Thuật ngữ tạp âm (noise) mô tả các tín hiệu điện không mong muốn trong hệ thống Sự xuất hiện của tạp âm làm giảm tính chính xác của tín hiệu phát và làm giảm tốc độ truyền dẫn thông tin Tạp âm được tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau nhưng có thể phân loại thành 2 nguồn chính: nhân tạo và tự nhiên Nguồn tạp âm nhân tạo xuất hiện từ các nguồn như đánh lửa, chuyển mạch hay các phát xạ điện từ

Tạp âm tự nhiên gồm tạp âm xuất hiện trong các mạch hay linh kiện điện tử, xáo động khí quyển hay các nguồn thiên hà

Thiết kế tốt các mạch điện, thiết bị hay hệ thống, bằng cách nối đất, chọn vị trí đặt thiết bị, dùng các phương pháp lọc… cho phép loại bỏ hay giảm thiểu đáng kể ảnh hưởng của các tạp âm Tuy nhiên, có một nguồn tạp âm tự nhiên không thể loại bỏ đó là tạp âm nhiệt Tạp âm này xuất hiện do các chuyển động nhiệt của các điện tử trong các thiết bị điện tử như điện trở, dây dẫn hay các phần tử điện dẫn khác Sự chuyển động ngẫu nhiên và độc lập của vô hạn các điện tử tạo nên các đặc tính thống kê Gauss theo định lý giới hạn trung tâm (central limit theorem) Vì vậy, nhiễu nhiệt có thể mô tả như một quá trình ngẫu nhiên Gauss có giá trị trung bình bằng không

Hàm mật độ phân bố xác suất (PDF: Probability Density Function) của một quá trình ngẫu nhiên Gauss x(t) được biểu diễn như sau:

Trong đó  2 là công suất nhiễu Phổ nhiễu Gauss trắng có dạng phân bố đều trong toàn bộ dải tần số, xác định theo công thức: N0=kT, trong đó K là hằng số Bolzman, K=1,38.10 -23 , T là nhiệt độ Kenvin

Một đặc tính quan trọng của nhiễu Gause có giá trị trung bình bằng không là phương sai  2 bằng trung bình bình phương của nó, tức là  2  E x  2   t 

Tạp âm trắng có đặc tính quan trọng là mật độ phổ tần số của nó như nhau tại mọi tần số, tức là nó phát ra một lượng công suất như nhau trên một đơn vị băng tần tại tất cả các tần số.

Như hình 2.16, hệ số 2 trong công thức biểu thị Gn(f) là hàm mật độ phổ công suất hai chiều, còn N0 là mật độ công suất tạp âm Tạp âm có mật độ phổ công suất như vậy được gọi là tạp âm trắng.

Hình 2.16 Mật độ phổ công suất và hàm tự tương quan của tạp âm trắng

Hàm tự tương quan của tạp âm trắng là phép biến đổi Fourier ngược của mật độ phổ công suất tạp âm cho bởi:

Như biểu diễn ở hình 2.16(b) Hàm tự tương quan của tạp âm trắng là một xung delta tại T=0 được nhân trọng số với N0/2 Vì R n (t)=0 với mọi T 0 nên bất kỳ 2 mẫu khác nhau nào của tạp âm trắng đều không tương quan với nhau bất kể chúng gần nhau đến mức nào Do tạp âm nhiệt được cộng với tín hiệu nên gọi là tạp âm cộng hay nhiễu cộng (addtive noise) Tổng hợp các đặc tính của tạp âm nhiệt nói trên ta có thể tóm tắt lại rằng tạp âm trong các hệ thống thông tin là tạp âm Gauss trắng cộng (AWGN: Additive White Gaussian Noise)

2.7.2 Sơ đồ truyền dẫn số qua kênh AWGN

Hình 2.17 Mô tả sơ đồ truyền dẫn thông tin số cơ bản

Trong sơ đồ trên, tại phía phát, nguồn dữ liệu tạo ra một chuỗi các ký tự được phát đi dk Trong đó một ký tự phát được tạo ra độc lập với các ký tự khác Đối với một hệ thống thông tin nhị phân, chuỗi ký tự chỉ chứa   0,1 Các nguồn dữ liệu kiểu này thường được sử dụng phổ biến trong mô phỏng và được gọi là các nguồn gián đoạn không nhớ (DMS: Discrete Memoryless Soure) Các ký tự tạo ra sau được ánh xạ thành các dạng sóng phù hợp Với hệ thống nhị phân, tập dạng sóng được định nghĩa  s t s t 1( ), ( )2  Máy phát (T x ), sẽ thực hiện chức năng khuếch đại dạng sóng đầu ra của bộ điều chế để phát đi trên kênh truyền với công suất yêu cầu Trên thực tế kênh truyền là môi trường truyền dẫn phức tạp, gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền dẫn tín hiệu

Xác suất lỗi Pe được tính: e

  (2.12) Trong đó Es là năng lượng trung bình tín hiệu phát, N0 là mật độ phổ công suất đơn phía tạp âm, k là hệ số xác định bởi tương quan giữa các dạng song  s t s t 1( ), ( )2 

Nếu các tần số được chọn một cách chính xác, các tín hiệu không tương quan và k=1 Với tín hiệu điều chế khóa dịch pha (PSK), các tín hiệu điều chế có cùng tần số và công suất, nhưng khác nhau pha ban đầu Trong trường hợp pha khác nhau

sao cho s 2 (t)=-s 1 (t), thì các tín hiệu sẽ tương quan ngược và k=2

Băng thông của nhiễu Gauss là vô hạn, theo định lý giới hạn trung tâm, kênh truyền AWGN được mô hình hóa theo cách xếp chồng các hàm điều hòa của hàm

Trong đó S(fi) là hàm mật độ phổ công suất có giá trị không đổi, i=1,2,….,n, Do đó [Ci] 2 /4 =  f.N 0 /2; pha tạp âm là các biến ngẫu nhiên phân bố đều trong khoảng (0, 2)

Hình 2.18 Mô hình kênh truyền AWGN.

Các mô hình kênh fading chuẩn

Tín hiệu phát đi tại tần số sóng mang fc với đường bao phức s(t) (còn gọi là tín hiệu băng tần gốc tương ứng) được biểu diễn như sau:

( ) Re[ ( ) j f t c ] s t  s t e  (2.14) Đặt độ dài đường l là xl và ký hiệu c là tốc độ ánh sáng (cũng chính là tốc độ lan truyền của sóng điện từ trong không khí), thì thời gian truyền sóng từ BS đến MS là xl/c Giả sử độ suy hao của đường l là al thì tín hiệu thu được tại MS không tính đến tạp âm là

Trong đó, thành phần đường bao tín hiệu thu là tổng của nhiều thành phần tín hiệu có độ trễ, suy hao và dịch pha khác nhau

  c là thời gian trễ của đường truyền thứ l.

Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng trong thông tin di động, tín hiệu bị ảnh hưởng bởi Fading Rayleigh đối với các đường truyền bị chướng ngại Fading Rayleigh là Fading ngắn hạn gây ra do các tín hiệu truyền theo nhiều đường khác nhau dẫn đến triệt tiêu lẫn nhau một phần Các tín hiệu nhận được ở máy thu là do phản xạ, khúc xạ, hay bị trì hoãn Phân bố Rayleigh được sử dụng một cách thường xuyên, rộng rãi nhất cho mô hình Fading nhiều tia không có tầm nhìn thẳng trực tiếp LOS từ máy phát đến máy thu

Trong trường hợp không có đường truyền trực tiếp giữa trạm gốc và thiết bị di động, tín hiệu thu được là tổng của nhiều đường truyền, theo quy luật số lớn, tín hiệu phức `g(t)` có thể được biểu diễn `g(t) = g I (t) + jg Q (t)` với `g I (t)` và `g Q (t)` là các hàm số thực và là quá trình ngẫu nhiên Gauss phức dừng rộng Trong môi trường nhiễu xạ, `g I (t)` và `g Q (t)` là các biến ngẫu nhiên Gauss độc lập, có giá trị trung bình bằng không và phương sai bằng `σg2` tại mọi thời điểm `t`.

E g t E g t  và E g t  I ( ) 2   E g t  Q ( ) 2    g 2 (2.18) Trong đó E a  là trung bình thống kê của một biến ngẫu nhiên a Sử dụng công thức về phân bố Gauss ở (2.7) ta có:

     (2.19) Do g I (t) và g Q (t) là các quá trình độc lập nên chúng ta có phân bố:

Với g t( ) 2 g t I 2 ( )g t Q 2 ( ) Chuyển g(t) sang tọa độ cực ta có g t ( )   ( ) t e j  ( ) t với ( )t  g t( ) là biên độ của g(t), chúng ta có hàm PDF kết hợp:

  (2.21) Do  và  là các biến độc lập nên chúng ta có thể viết:

Tức là, PDF của biên độ  ( ) t là phân bố Rayleigh, và fading kiểu này được gọi là fading Rayleigh

Mô hình Rayleigh là mô hình hữu dụng trong nghiên cứu hệ thống di động khi không có đường truyền trực tiếp LOS giữa anten phát và thu Nó cũng được áp dụng cho các đường truyền sóng phản xạ và khúc xạ qua tầng đối lưu và tầng điện ly Xác suất lỗi bit của mô hình này đối với điều chế BPSK được tính bằng công thức: P e = 1 2 erfc( √ 2 b E b / 2 N 0 ), trong đó b là tốc độ bit, E b là năng lượng biểu diễn 1 bit, N 0 là nhiễu phổ công suất đơn phương.

 là SNR trên bit tức thời

 P e (  b )  Q ( 2  b ) Kết quả của phép tích phân cho ta :

 b là SNR trên bit trung bình

Trong trường hợp SNR lớn, nghĩa là  b 1, biểu thức trên có thể được đơn giản bằng: b

Từ phương trình trên ta nhận thấy rằng giá trị của P e giảm một cách tuyến tính với việc gia tăng SNR trên bit

Trong môi trường tán xạ có đường truyền tầm nhìn thẳng và thành phần phản xạ ngẫu nhiên, các thành phần đồng pha và vuông pha có phương sai xác định nhưng trung bình khác 0 Các biến ngẫu nhiên Gauss độc lập g I(t) và g Q(t) có giá trị trung bình lần lượt là  I(t) và  Q(t).

 khác 0 Nếu ta vẫn giả thiết gI(t) và g Q (t) có cùng phương sai  g 2 tại bất kỳ thời điểm t nào, thì biên độ của g(t), tức là  ( ) t , tại một thời điểm t bất kỳ sẽ có phân bố Rice được cho bởi:

    (2.27) Trong đó  I 2 ( )t  Q 2 ( )t là tham số lệch tâm (non-centrality parameter), và

I 0 (x) là hàm số Bessel sửa đổi bậc 0 loại 1 Dạng fading này được gọi là fading Rice

Một số mô hình kênh Rice đã được đề xuất trong thực tế giả thiết rằng  I ( ) t và

 là các hằng số khác không Một phương pháp có nhiều ưu điểm hơn đã được đề xuất bởi Aulin Trong phương pháp này các giá trị trung bình  I ( ) t và  Q ( )t tương ứng với các thành phần đồng pha và trực giao của LOS được mô hình là các tham số xác định biến đổi theo thời gian:

Hệ số Rice (K) đóng vai trò quan trọng trong mô hình suy hao Rice, được định nghĩa là tỷ lệ giữa công suất tia ngắm (LoS) (P_LoS) và công suất các thành phần tán xạ (P_NLOS):```K = P_LoS / P_NLOS```Giá trị của K phản ánh mức độ ảnh hưởng của thành phần LoS so với các thành phần tán xạ trong kênh Hệ số Rice cao cho thấy tín hiệu LoS mạnh và kênh suy hao gần với mô hình LoS Ngược lại, hệ số Rice thấp cho thấy tín hiệu LoS yếu và ảnh hưởng của các thành phần tán xạ trở nên đáng kể.

  Ta thầy rằng, khi K=0 thì kênh truyền thuần túy là kênh Rayleigh và khi

K   kênh truyền sẽ không còn hiện tượng fading Sử dụng hệ số Rice ta có thể viết:

Trong đóA p E    2  2 2  g 2 là công suất trung bình của g(t) Khi đó hàm phân bố rice được viết lại:

Hình 2.19 minh họa phân bố rice cho một số các giá trị khác nhau của K Trường hợp K=0 chính là hàm phân bố Rayleigh Từ hình vẽ, ta thấy rằng khi K lớn thì bề rộng của p(a) càng có xu hướng co hẹp lại quanh giá trị A p 1điều đó chứng tỏ khi k càng lớn thì tính ngẫu nhiên của càng giảm

Hình 2.19 Hàm phân bố Rice cho các giá trị khác nhau của K với Ap=1.

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ MÃ HÓA XẾP CHỒNG SCM

Một số kỹ thuật điều chế số

Điều chế là quá trình xử lý thông tin vào sóng mang vô tuyến Sử dụng điều chế số giúp cải thiện hiệu suất phổ Để đạt được hiệu suất phổ cao, các sơ đồ điều chế phải được lựa chọn để có hiệu suất băng thông cao Nhiều hệ thống không dây, như điện thoại tế bào, hoạt động theo nguyên tắc tái sử dụng tần số, ở đây các tần số sóng mang được tái sử dụng ở các vị trí địa lý đã được chia sẵn Chất lượng hệ thống được giới hạn bởi nhiễu đồng kênh Các sơ đồ điều chế phải xác định được hiệu suất băng thông và có khả năng chịu được nhiễu đồng kênh ở các mức cao Các kỹ thuật điều chế số được chọn lựa cho các hệ thống không dây nhờ đáp ứng các thuộc tính sau:

- Mật độ công suất: làm giảm hiệu ứng của nhiễu kênh kề, công suất bức xạ kênh kề từ 60 đến 80 dB Các kỹ thuật điều chế có búp chính hẹp và roll-off nhanh của các búp biên

- BER tốt: xác suất lỗi bit thấp phải đạt được khi có nhiễu đồng kênh, nhiễu kênh kề, nhiễu nhiệt và sự suy giảm các kênh khác như fading và nhiễu xuyên ký tự (ISI)

- Đặc tính đường bao: khuếch đại phi tuyến có thể giảm tỷ số bit lỗi cho các sơ đồ điều chế, các thông tin phát được khuếch đại biên độ sóng mang Để làm giảm các phổ búp biên trong suốt thời gian khuếch đại phi tuyến, tín hiệu ngõ vào phải có đường bao cố định

3.1.1 Kỹ thuật điều chế PSK 3.1.1.1 Kỹ thuật điều chế BPSK

Dữ liệu nhị phân được đặc trưng bởi hai tín hiệu với pha khác nhau, hai pha đó là 0 và, hai tín hiệu đó là:

Các tín hiệu này được gọi là đối cực (antipodal) Lý do chọn lựa điều chế BPSK vì điều chế này có hệ số tương quan bằng -1, chúng cho xác suất lỗi tối thiểu khi cùng giá trị E b / N o , hai tín hiệu trên có cùng tần số và năng lượng Chúng ta thấy tất cả các tín hiệu PSK có thể được đặc trưng bằng đồ thị bởi một chòm sao tín hiệu trong một hệ toạ độ hai chiều với:

   , với 0 t T (3.4) Tương ứng với trục thẳng đứng và trục nằm ngang của nó

Hình 3.1 Chòm sao tín hiệu BPSK Ở đây,

Giả sử luồng dữ liệu nhị phân là 10110 thì dạng sóng của tín hiệu BPSK điều chế có dạng như sau:

(a) f c = 2T Dạng sóng có đường bao là hằng số, có pha không liên tục tại ranh giới của các bit, nếu f c  mR b  m T / , với m là một số nguyên và R b là tốc độ bit dữ liệu, và thời bit đồng bộ với sóng mang, khi đó pha ban đầu tại ranh giới bit là 0 hoặc tương ứng với bit với 1 hoặc 0 Tuy nhiên, nếu f c không phải là một bội số nguyên của R b , pha ban đầu tại một ranh giới của bit khác 0 hoặc

Giải điều chế với điều kiện fc = mRb là cần thiết để đạt được xác suất lỗi bit tối thiểu Tuy nhiên, nếu SNR thấp, điều kiện này có thể làm giảm hiệu suất BER (tỷ lệ lỗi bit).

Data 1 0 1 1 0 Điều chế tín hiệu BPSK thật sự đơn giản Đầu tiên một luồng dữ liệu a t   được hình thành từ luồng dữ liệu nhị phân

(b) Hình 3.2 Điều chế BPSK (a) và giải điều chế kết hợp BPSK (b) Ở đây,a k    1, 1 ,  p t  là xung vuông biên độ đơn vị được xác định trên đoạn

 0,T  Khi đó a t  được nhân với một sóng mang dạng sin A cos 2  f t c Kết quả ta được tín hiệu BPSK:

    cos 2 c s t Aa t f t,    t (3.6) Giải điều chế kết hợp (coherent) BPSK thuộc lớp tách sóng kết hợp cho các tín hiệu nhị phân Bộ tách sóng kết hợp có thể là một bộ tương quan, hoặc matched filter Tín hiệu nhiễu phải đồng bộ với tín hiệu thu theo tần số và phase

Trong trường hợp không có nhiễu A=1 ngõ ra của bộ tương quan tại t   k  1  T là:

(3.7) Nếu f c  mR b , giới hạn thứ hai bằng không, vậy tín hiệu ban đầu a t   thu được hoàn toàn (khi không có nhiễu) Nếu f c  mR b , giới hạn thứ hai khác không Giới hạn thứ hai nhỏ hơn giới hạn đầu tiên rất nhiều vậy nên nó thật sự không đáng kể

Xác suất lỗi bit cho tín hiệu nhị phân như sau:

Ví dụ: với E b / N o  9.6dB,P b 10  5 BPSK kết hợp yêu cầu tín hiệu nhiễu tại bộ thu được đồng bộ về pha và tần số với tín hiệu thu

Dạng xung cơ bản của tín hiệu BPSK là xung vuông

Biến đổi Fourier của nó là:

(3.11) Vậy mật độ phổ công suất của tín hiệu băng gốc BPSK là:

3.1.1.2 Kỹ thuật điều chế QPSK

Trong tất cả các sơ đồ MPSK, QPSK là sơ đồ thường được sử dụng khi nó không giảm BER trong khi yêu cầu hiệu suất băng thông tăng QPSK là một trường hợp đặc biệt của MPSK, tín hiệu này có dạng như sau:

Pha ban đầu của tín hiệu là , 3 , 5 , 7

Tần số sóng mang được chọn là bội số nguyên của tốc độ symbol, vì vậy trong bất kỳ khoảng symbols  kT k ,   1  T   pha ban đầu của tín hiệu là một trong bốn pha trên Từ biểu thức trên ta có thể viết:

  cos cos 2 sin sin 2 i i c i c s t A  f tA  f t s i 1 1    t s i 2 2    t (3.14) Ở đây  1   t và  2   t được xác định như (3.3) và (3.4)

Bảng 3.1 Tọa độ tín hiệu QPSK

E  A T là năng lượng symbol Ta có thể thấy rằng tín hiệu này là một tổ hợp tuyến tính của hai hàm trực giao cơ bản  1   t và  2   t Trên hệ tọa độ của  1   t và

 chúng ta có thể mô tả bốn tín hiệu bằng bốn điểm hoặc bốn vectors:

  , i  1, 2, 3, 4 Gốc của vector s i tương ứng với điểm trên trục nằm ngang là pha  i ban đầu của tín hiệu Chiều dài vector là E Trong bảng trên mức logic 1 là E / 2 và mức logic 0 là E / 2 Chúng ta sắp xếp các bit lẻ vào s i 1 và các bit chẵn vàos i 2 Từ (3.14) tín hiệu QPSK trên toàn bộ trục thời gian có thể được viết như sau:

Với I t   và Q t   là các chuỗi xung được xác định bởi các luồng bit lẻ và các luồng bit chẵn

(3.16) Với I k   1và Q k   1, ánh xạ giữa dữ liệu logic và I k hoặc Q k là 11 và 0 1

  p t là hàm xung vuông xác định trên  0,T  Chòm sao QPSK như hình:

Hình 3.3 Chòm sao tín hiệu QPSK

Giống như BPSK, dạng sóng có đường bao hằng và pha không liên tục tại ranh giới symbol Nhưng khác BPSK, chu kỳ symbols là 2Tb Nếu tốc độ truyền dẫn của các symbols giống trong QPSK và BPSK, rõ ràng bằng trực giác dữ liệu truyền QPSK gấp đôi BPSK Khoảng cách các điểm kề nhau trong chòm sao QPSK ngắn BPSK Điều này làm cho giải điều chế khó khăn hơn so với BPSK để phân biệt các symbol Tuy nhiên, mặc dù xác suất lỗi symbols tăng nhưng xác suất lỗi bit không thay đổi Bộ điều chế QPSK như hình 3.5(a)

Kênh pha I (Inphase) gồm các thành phần cosin, còn kênh pha Q (Quadrature) gồm các thành phần sin Sau khi chuyển đổi S/D (serial-to-parallel), dữ liệu được tách thành các bit lẻ (kênh I) và các bit chẵn (kênh Q) Các bit logic 1 được biểu diễn bằng xung dương, còn các bit logic 0 được biểu diễn bằng xung âm, tất cả đều có cùng biên độ và chu kỳ T Tiếp theo, chuỗi xung của các bit lẻ được nhân với cos 2πfct, trong khi chuỗi xung của các bit chẵn được nhân với sin 2πfct, tạo ra các tín hiệu kênh I và kênh Q.

Điều chế mã hóa xếp chồng SCM

Điều chế được mã hóa xếp chồng (SCM-superposittion coded modulation) là kỹ thuật điều chế ở lớp vật lý cho phép gửi các thông tin qua mạng không dây đến nhiều bộ thu trong cùng một thời điểm với 1 tín hiệu duy nhất Một tín hiệu SCM bao gồm các symbols được điều chế đa giải pháp (multi-resolution), SCM cho phép một bộ thu giải mã tùy thuộc vào điều kiện kênh tại thời điểm giải mã tín hiệu

SCM làm việc trong một thiết kế xuyên lớp tạo thành các tín hiệu multicast không dây để truyền các luồng bit (bitstreams) video multicast với nhiều lớp chất lượng

Tín hiệu multicast SCM hiệu quả trong việc giải quyết vấn đề phân tập kênh đa người dùng, nó được tạo ra bằng cách xếp chồng nhiều lớp chất lượng thành một tín hiệu Ở bộ thu, đối với các kênh có trạng thái không tốt vẫn có thể giải mã được dữ liệu lớp căn bản để đạt được chất lượng video cảm nhận căn bản Trong khi đó, các bộ thu có điều kiện kênh tốt có thể giải mã được dữ liệu các lớp cao hơn để cho chất lượng video full

SCM được sử dụng để điều chế mã hóa truyền đi như là một sự xếp chồng tuyến tính các symbols nhị phân của các tín hiệu độc lập Tín hiệu SCM được mô tả như sau :

 (3.61) x k là một chuỗi các symbols được mã hóa x x 1, 2, x k  và  k là hệ số không đổi

Mục đích chính của SCM là tạo ra 1 tín hiệu để bộ phát gởi 2 thông tin độc lập đến bộ thu trong 1 khối truyền không dây duy nhất bằng cách xếp chồng các khối symbols của 2 tín hiệu ở nguồn Việc xếp chồng 2 tín hiệu tương tự như bổ sung vector của các biểu tượng chòm sao tín hiệu Như trong hình 3.11, x 1 với tín hiệu cho bộ thu 1 được sử dụng điều chế QPSK cho tốc độ truyền dẫn cao nhưng khả năng chống nhiễu kém và x2 với tín hiệu cho bộ thu 2 được sử dụng điều chế BPSK có khả năng chống nhiễu tốt nhưng tốc độ truyền dẫn thấp hơn Tín hiệu được điều chế x là vector tổng của 2 vector tín hiệu x1 và x 2 được điều chế bởi: x = x1 + x 2 Trong hình 3.11, vector x đại diện cho tín hiệu xếp chồng, bao gồm ký tự ”0”cho hình 3.11 (b) và ký tự ”1” cho hình 3.11 (a) Tín hiệu x sau đó được tạo ra như một khối truyền dẫn không dây duy nhất và được nhận bởi 2 bộ thu với điều kiện kênh khác nhau trong cùng một phạm vi phủ sóng

Hình 3.11 Điều chế được mã hóa xếp chồng: a-c điều chế; d-e giải điều chế

Tín hiệu nhận được tại bộ thu i là yi = x + zi, trong đó zi là nhiễu nhận được SIC (khử giao thoa tín hiệu) là kỹ thuật được sử dụng ở bộ thu i để xác định dữ liệu tín hiệu của các bộ thu khác Bộ thu i giải mã tín hiệu của nó bằng cách trừ đi các thành phần tín hiệu không tương ứng từ tín hiệu nhận được yi Ví dụ, bộ thu 1 giải mã dữ liệu của nó từ y1, trước tiên nó phải sử dụng SIC để xác định dữ liệu có nghĩa đối với bộ thu 2 (x2), sau đó sẽ trừ đi x2 từ y1 Kết quả của phép trừ sử dụng SIC cho ra x1, thường bị méo bởi nhiễu ở bộ thu 1 (z1).

Giả sử rằng, một tín hiệu SCM được điều chế bao gồm các bit thông tin của 2 lớp chất lượng từ một luồng bit video có khả năng thay đổi Ví dụ như trong hình 3.11, tín hiệu được xếp chồng x có thể được xem như sự tổng hợp của 2 vector được thể hiện với biên độ và pha tương ứng trong sơ đồ chòm sao tín hiệu được hình thành bởi các phương pháp điều chế BPSK và QPSK Kết quả là sơ đồ chòm sao tín hiệu gồm 8 symbols có liên quan đến biên độ và pha Điều này cho thấy rằng tín hiệu xếp chồng có thể được tạo ra trực tiếp ở bộ phát thông qua khóa dịch pha động (ví dụ góc pha của x trong sơ đồ chòm sao) và phân phối công suất (biên độ của x) trong tín hiệu truyền Biên độ và góc pha của mỗi chòm sao symbols không những xác định rõ vị trí của nó mà còn phụ thuộc vào tỷ lệ phân phối năng lượng trong mỗi quá trình truyền cho tín hiệu điều chế sử dụng BPSK và QPSK, ký hiệu là E 1 và

E 2 Tổng năng lượng truyền E = E1 + E 2 được mô tả với một mối quan hệ thông qua 1 tham số β duy nhất:

Bằng cách sử dụng các công thức toán học cụ thể, SCM có thể tạo ra sơ đồ chòm sao 8 điểm dựa trên số lượng ký hiệu chòm sao và giá trị β được xác định Phương pháp tổng quát này cho phép tạo ra tín hiệu phân nhóm SCM phù hợp, giúp kết nối các sơ đồ điều chế khác nhau một cách hiệu quả.

Như minh họa trong bảng 3.2, phương pháp điều chế cho lớp căn bản và lớp nâng cao, tổng số các symbols trong sơ đồ chòm sao có thể xác định được

Bảng 3.2 Tổng số các symbols chòm sao trong sơ đồ điều chế SCM

Quá trình điều chế xếp chồng bao gồm BPSK và QPSK có thể được xem tương đương với điều chế 8-QAM Chòm sao symbols được tạo ra trong sơ đồ chòm sao có thể được cấu hình biên độ và pha tương tự như các phương pháp thông thường Để làm cho các chòm sao symbols hợp lý tương ứng với phương pháp thông thường, 2 phương pháp phải có các bit thông tin trong mỗi chòm sao symbols giống như nhau Để thực hiện điều chế SCM cho tín hiệu video multicast, chiến lược ánh xạ 1 symbols có m bit từ lớp dữ liệu căn bản và n bit từ lớp dữ liệu nâng cao vào m+n bit khối symbols được yêu cầu Ví dụ, BPSK và QPSK, mỗi symbol chứa 1 bit của lớp căn bản và 2 bit của lớp nâng cao và được ánh xạ bằng sơ đồ ánh xạ như trong hình trong hình 3.12 Sự ánh xạ của 3 bit thành chòm sao 8-symbols phụ thuộc vào các bit thông tin của các luồng video có thể thay đổi trong các tầng ứng dụng Đối với symbols ”0” trong lớp căn bản với điều chế BPSK và các symbols ”01” trong lớp nâng cao với điều chế QPSK sẽ tạo ra một khối symbols tương ứng 3 bit là ”001” trong sơ đồ chòm sao Như vậy đã tạo ra một tín hiệu được điều chế SCM Để minh hoạ điều chế SCM ở bộ phát, một module phần mềm mới được yêu cầu trong lớp MAC để thu được các bit thông tin giữa các luồng bit của hai lớp chất lượng từ nguồn video, nó được đệm trong hàng đợi tương ứng ở bộ phát Vị trí của các symbols trong sơ đồ chòm sao có thể được xác định động bởi biên độ và pha của mỗi symbols đã cho thông qua điều khiển β, nó có thể xác định được hiệu suất truyền được yêu cầu cho ứng dụng về tỉ lệ lỗi symbols (SER) hoặc thông lượng symbols

Hình 3.12 Sự ánh xạ xuyên lớp ở bộ phát

Phần mềm trong lớp MAC tương tác với chipset DSP điều chế trong lớp vật lý để tạo nên tín hiệu multicast SCM như trong hình 3.13

Hình 3.13 Sự hoạt động và tương tác giữa các lớp dùng phần mềm

3.2.2 Giải điều chế ở bộ thu

Giải điều chế SCM ở bộ thu cho phép giải mã trực tiếp thông tin lớp căn bản bằng phương pháp giải điều chế chuẩn 8-QAM bất kể trạng thái kênh tốt hay xấu Khi điều kiện kênh bất lợi như trong hình 3.12, bit đầu tiên mang thông tin lớp căn bản vẫn có thể được giải mã thành công.

Biểu tượng "0" sẽ được hiểu như bất kỳ biểu tượng nào ở phía bên trái của chòm sao khi tín hiệu SCM được thu nhận như là một biểu tượng bất kỳ Nguyên nhân là do cách phân phối khối 3 bit được ánh xạ đến một điểm trên chòm sao như hình 3.12 Khi điều kiện kênh tốt, thay vì trừ đi các biểu tượng cơ bản để giải mã biểu tượng nâng cao sử dụng SIC như điều chế SCM, bộ thu sẽ chỉ cần giải mã 3 bit từ bộ giải điều chế 8-QAM.

Một module phần mềm được thiết kế để chọn chương trình theo các điều kiện kênh thay đổi ngay lập tức tại bộ thu từ điều chế mức thấp là tin cậy hơn điều chế mức cao hơn ở cùng một SNR Để đảm bảo độ chính xác cao hơn cho phục hồi các bit lớp căn bản, phần mềm giải điều chế 2 lần bằng cách sử dụng BPSK và 8-QAM khi điều kiện kênh bộ thu hỗ trợ cả 2 phương pháp Kết quả thu được từ giải điều chế BPSK là a1 và kết quả thu được từ giải điều chế 8-QAM là b1b 2 b 3 Khi đó kết quả thu được ở lớp ứng dụng là a1b 2 b 3 , a 1 là bit quan trọng nhất, thu được bằng cách dùng giải điều chế tin cậy nhất (BPSK) Chất lượng video căn bản có độ tin cậy cao hơn, trong khi chất lượng video ở bộ thu cũng có thể thu được thành công khi bổ sung 2 bit b 2 b 3 Đầu tiên, báo hiệu giữa bộ thu và bộ phát được định nghĩa hai phương pháp điều chế cho mỗi khối giải điều chế SCM Thứ 2, phần mềm lớp MAC cần chia mỗi symbols thu được thành 2 phần, ở đó các bit ở phần đầu tiên được đưa vào bộ đệm cho lớp căn bản, và các bit còn lại được đưa vào bộ đệm cho lớp nâng cao Thứ 3, các bộ giải mã video trong lớp ứng dụng ở thiết bị thu sẽ trích ra 2 phần thông tin riêng biệt để tái tạo lại luồng bit video

Thông thường, các symbols trong sơ đồ chòm sao là cách đều nhau để đạt được sự tối ưu tổng thể tỉ lệ lỗi symbol Các yêu cầu cách đều dựa trên giả định rằng độ quan trọng của mỗi bit được mã hoá trong symbols là bằng nhau Tuy nhiên, điều này không cần thiết phải là tính năng bắt buộc khi truyền thông tin sử dụng điều chế SCM do phụ thuộc vào các bit thông tin giữa các lớp kế tiếp trong truyền dẫn cũng như các vấn đề mở rộng trong phân tập kênh đa người dùng

3.2.3.1 Hệ số tỉ lệ biên độ symbol Đối với bất kỳ điều chế QAM, các symbols được bố trí cách đều nhau và được chia đều trong bốn cung phần tư trong sơ đồ chòm sao tín hiệu Thông thường, vị trí của mỗi symbols có liên quan đến hệ số tỉ lệ biên độ, hệ số này là điều cần thiết để thống nhất chuẩn hoá năng lượng trung bình của phương pháp điều chế Các symbols được đặt theo bội số lẻ nguyên lần của hệ số tỉ lệ biên độ dọc theo trục hoành và trục tung, với bội số nguyên chẵn của hệ số tỉ lệ biên độ làm ranh giới quyết định cho giải điều chế Do tính chất đối xứng nên kết quả từ cung phần tư thứ nhất cũng đúng cho toàn bộ chòm sao và do đó, chỉ những bội số nguyên lẻ và chẵn không âm cần thiết cho việc xem xét vị trí symbols và quyết định đến ranh giới tương ứng

Mã hoá đa mô tả (MDC - Multiple Description Coding)

MDC là một kỹ thuật mã hoá, trong đó chia một luồng media duy nhất thành n luồng nhỏ ( n  2) được gọi là sự mô tả Các gói của sự mô tả được định tuyến qua một hay nhiều đường truyền dẫn Để giải mã các luồng media, có thể sử dụng bất kỳ sự mô tả nào, tuy nhiên chất lượng được cải thiện với số lượng các mô tả nhận được song song MDC cung cấp khả năng sửa lỗi cho các luồng media Từ một nhóm nhỏ bất kỳ của sự mô tả có thể được sử dụng để giải mã các luồng đầu tiên của sự tắc nghẽn hay mất gói-phổ biến trong mạng best-effort như internet - sẽ không làm gián đoạn luồng mà chỉ gây ra mất chất lượng tạm thời Chất lượng của luồng dữ liệu tỉ lệ thuận với tốc độ dữ liệu duy trì ở bộ thu MDC là hình thức phân vùng dữ liệu, vì vậy nó tương đương với lớp mã hoá sử dụng MPEG-2 và MPEG-4 Cơ chế mã hoá của MDC là tạo ra lớp chất lượng cơ bản và n lớp chất lượng nâng cao Các lớp căn bản cần thiết cho sự giải mã các luồng media, các lớp nâng cao được áp dụng cho mục đích cải thiện chất lượng luồng dữ liệu Tuy nhiên, các lớp nâng cao đầu tiên phụ thuộc vào lớp căn bản, và lớp nâng cao n+1 phụ thuộc vào lớp nâng cao n Vì vậy luồng media bị gián đoạn khi lớp căn bản còn thiếu và khi đó dữ liệu lớp nâng cao trở nên vô dụng Bên cạnh tăng khả năng chịu lỗi, MDC cho phép thích ứng tốc độ của luồng

Trước tiên, các khung video được mã hóa và nén thành luồng bit với L mức chất lượng khác nhau, tạo thành nhóm khung video (GoF) Sau đó, luồng bit này được chia thành các luồng bit nhỏ hơn dựa theo ranh giới của từng mức chất lượng Ranh giới của mức chất lượng thứ l trong luồng bit của GoF được ký hiệu là b l , với 0 ≤ b 0 ≤ b 1 ≤ ≤ b l và độ méo của chất lượng video tương ứng là D(b l ), theo đó 0 ≥ D(b 0 ) ≥ D(b 1 ) ≥ ≥ D(b l ).

Hình 3.21 Luồng bit định cỡ với L lớp chất lượng

Hình 3.22 Độ méo và ranh giới các luồng bit của GoF

Dữ liệu của mỗi luồng bit trong lớp l được chia thành nhiều khối dữ liệu có độ dài bằng nhau và bằng Kl bytes trong mỗi khối Mỗi khối dữ liệu Kl bytes được mã hoá để trở thành các khối bảo vệ PU có chiều dài N bytes bằng cách sử dụng mã hoá Reed-Solomon RS (N,K l ) như trong hình 3.23, trong đó N là độ dài từ mã và K là số symbols dữ liệu của từ mã Một trong những thông số ảnh hưởng đến giá trị của N và K là điều kiện kênh truyền tồi nhất của một nhóm các bộ thu Việc xác định N và K của mỗi lớp chất lượng có thể được thực hiện online thích ứng theo trạng thái kênh truyền xấu nhất hoặc trung bình trong các bộ thu bằng cách dùng thuật toán thích ứng, với sự phản hồi tất cả điều kiện kênh của các bộ thu và tương tác với chương trình mã hóa bảo vệ Sự lựa chọn các giá trị cần duy trì hoặc tăng tối đa tổng số dữ liệu đạt được bằng 1 bộ thu cho chất lượng video dự kiến (PSNR) hoặc các thông số cần thiết khác Lý tưởng nhất, giá trị K/N nên nhỏ nhất Việc xác định N và K của mỗi lớp chất lượng cũng có thể được thực hiện offline bằng cách sử dụng kết quả thống kê trạng thái kênh truyền của tất cả các thuê bao trong vùng triển khai multicasting, từ sự thay đổi kênh của bộ thu cố định sẽ có được giá trị trung bình dài hạn

Giá trị của K l cho sự phân luồng bit video lớp l được xác định bởi một số thông số, bao gồm tầm quan trọng của của lớp cho sự khôi phục tín hiệu video cuối cùng, sự bảo vệ được yêu cầu bởi kênh truyền Giá trị Kl nhỏ hơn đồng nghĩa với việc dữ liệu luồng bit được bảo vệ tốt hơn nhằm chống lại sự mất hay lỗi dữ liệu Các PU trong mỗi lớp sau đó được đóng gói theo cách: bytes thứ i trong mỗi hàng của PU lớp đó sẽ được ấn định vào gói MDC thứ i để truyền đi, trong dó i=1,…N Trong trường hợp này, tất cả các gói MDC N có độ quan trọng như nhau, chỉ có một số các gói MDC thu được quyết định sự khôi phục chất lượng video của GoF Vì vậy, gói MDC thứ i tạo nên sự mô tả thứ i của GoF và chứa luồng bit dữ liệu của nhiều lớp chất lượng trong GoF Sự liên tiếp của các gói MDC thứ i tạo nên sự mô tả thứ i cho toàn bộ luồng media

Hình 3.23 Sự tạo ra PU của các gói MDC

Thông thường, sự phân vùng có độ dài Kl nhỏ được sử dụng cho lớp chất lượng video thấp hơn trong khi đó độ dài lớn hơn được lựa chọn cho lớp chất lượng cao hơn bởi vì sự khôi phục video cuối cùng phụ thuộc nhiều vào lớp thấp hơn là các lớp cao.

Cải thiện QoS IPTV trên WiMAX bằng cách phối hợp SCM và MDC

WiMAX sử dụng chế độ PMP để xem xét truyền đa hướng nội dung IPTV đến các trạm thu nhận (SS) đặt tại vị trí người dùng trong phạm vi phủ sóng dịch vụ WiMAX hỗ trợ truy nhập đa kênh (TDM) làm cơ chế truy cập, truyền tải tài nguyên truyền đa hướng được chia thành các khe trong miền thời gian.

Mô hình truyền tín hiệu SCM chia dữ liệu thành các lớp chất lượng Mỗi lớp được bảo vệ bằng các phương pháp phù hợp và được điều chế bằng các phương pháp khác nhau Sau đó, dữ liệu được ghép thành một khối truyền multicast duy nhất và truyền đến các trạm SS trong mạng không dây.

Khối tín hiệu thu được trải qua quá trình giải điều chế để tách dữ liệu thành nhiều lớp chồng lên nhau Các lớp này sau đó được mã hóa và giải mã thành nhiều lớp chất lượng Nếu một hoặc nhiều lớp chất lượng bị lỗi hoặc mất dữ liệu, hệ thống sẽ tiến hành phục hồi dữ liệu bị lỗi và cuối cùng khôi phục lại dữ liệu gốc đã phát đi.

Video của nguồn IPTV được mã hoá bằng code video thành các luồng bit định cỡ, nó tạo ra nhiều đoạn luồng bit tương ứng với nhiều lớp chất lượng sau khi mã hoá video Trước khi chuyển các luồng bit đến BS để truyền đi, mỗi đoạn được mã hoá bằng mã hoá bảo vệ vào trong dòng của PU với kích thước thay đổi được Các

PU thuộc các lớp chất lượng khác nhau được xếp vào hàng đợi trong các bộ đệm khác nhau và sau đó được điều chế bằng phương pháp điều chế tương ứng trước khi xếp chồng lại với nhau như một khối truyền multicast MDC trên nguồn video với mã hoá xếp chồng ở kênh không dây để gửi các gói MDC qua liên tiếp các khe thời gian theo sự sắp xếp đặc biệt của các mào đầu bảo vệ Mục đích của sự sắp xếp này là làm cho các luồng bit video lớp cao có thể được khôi phục thành công bằng cách yêu cầu ít các khe thời gian (hay một số lượng nhỏ các gói MDC nhận được) hơn sự khôi phục các lớp thấp hơn tương ứng trong 1 GoF Với mỗi gói MDC được truyền multicast trong môi trường không dây bằng cách chỉ sử dụng ở kênh giống như kênh SCM, các bộ thu khác nhau có thể giải điều chế thành công và thu được các gói tin phụ thuộc vào SNR của kênh liên quan đến nó Tuy nhiên, nếu các PU của lớp chất lượng cao trong mỗi gói MDC có thể được giải điều chế bằng một bộ thu không dây với yêu cầu SNR, những PU dựa trên các lớp thấp hơn tương ứng trong các gói MDC phải được giải điều chế thành công Điều này cho thấy rằng các bộ thu trong 1 nhóm multicast thường dễ dàng hơn để có SNR yêu cầu cho giải điều chế các PU từ các PU lớp chất lượng thấp hơn hơn là từ các lớp chất lượng cao hơn

Mỗi khối nguồn với Kl byte từ luồng bit của lớp chất lượng l trong GoF được mã hoá thành 1 hàng của PU với độ dài N byte sử dụng mã hoá RS làm giảm giá trị K từ các lớp đầu tiên và thấp nhất Các PU của mỗi hàng trong một lớp được đóng gói thành gói MDC, ngoại trừ là thực tế các PU của các lớp chất lượng khác nhau trong cùng 1 gói MDC sẽ được điều chế bởi các phương pháp điều chế khác nhau để tạo thành tín hiệu multicast được mã hoá xếp chồng và được truyền hoàn chỉnh Giới hạn của phương pháp chỉ sử dụng mã hoá xếp chồng là khả năng kém khi khôi phục/thu được dữ liệu các lớp cao hơn trong các khe thời gian khi trạng thái kênh truyền là xấu Vấn đề này được khắc phục bằng cách sử dụng kết hợp những thuận lợi của SCM ở kênh truyền và mã hoá video định cỡ với khả năng bảo vệ khéo léo bằng MDC ở nguồn

Các PU của luồng bit 1 và 2 được tạo ra bằng MDC sử dụng mã RS với các thông số K1, K 2 và N như trong hình 3.25 Các PU của lớp 1 và lớp 2 được chứa trong các bộ đệm B1 và B 2 tương ứng trong BS

Hình 3.25 Các PU của lớp i được tạo thành bằng mã hóa RS(N,K)

Bắt đầu với khe thời gian đầu tiên cho truyền multicast ở thời điểm t=1, các PU với gói ID=1 của lớp 1 phụ thuộc vào sự mô tả (description) 1 trong, bộ đệm B1 được điều chế với phương pháp điều chế bậc thấp (ví dụ: BPSK), phương pháp này yêu cầu SNR thấp hơn để giải điều chế tín hiệu ở BER xác định Trong cùng khe thời gian, các PU của lớp 2 trong bộ đệm B 2 phụ thuộc vào sự mô tả (description) 1 được điều chế với phương pháp điều chế bậc cao hơn (ví dụ 16-QAM, 64-QAM) nó yêu cầu SNR cao hơn để giải điều chế tín hiệu ở cùng BER Cả 2 tín hiệu điều chế từ bộ đệm B 1 và B 2 được xếp chồng với nhau thành khối truyền SCM như một gói MDC cho sự mô tả thứ nhất, nó sẽ được truyền hoàn toàn trong kênh không dây khi kết thúc thời gian t=1 như hình 3.26

Hình 3.26 Các PU của lớp 1 và 2 được chứa trong bộ đệm B1 và B 2 để tạo thành tín hiệu mã hóa xếp chồng

Với mỗi khe thời gian t, tốc độ truyền của điều chế là R M,l , được áp dụng cho bộ đệm l của lớp l phải đủ nhanh để multicast tất cả các PU thuộc các gói MDC của lớp đó Ngược lại, số lượng PU, kích cỡ PU và khoảng thời gian timeslot được điều chỉnh Đây là điều kiện cần thiết để BS đạt được sự ổn định lâu dài và do đó tốc độ truyền có giới hạn như sau:

Trong đó, RM,l(bps) là tốc độ truyền của phương pháp điều chế (BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM); b l là vị trí bit của luồng bit video phía trên của lớp chất lượng l; K l là giá trị mã RS trong lớp l; và t là khoảng thời gian của khe thời gian

BS sẽ lặp lại quá trình xếp chồng tương tự như vậy cho các PU tiếp theo phụ thuộc vào sự mô tả thứ 2 trong tất cả các bộ đệm đối với các khe thời gian truyền sẵn sàng kế tiếp (ở thời điểm t=2) và cứ tiếp tục như vậy Sau đó các PU của tất cả sự mô tả trong GoF được xếp chồng và multicast Quá trình tương tự tiếp tục với GoF kế tiếp cho đến khi kết thúc IPTV như hình 3.27 BS truyền luồng bit video thông qua cách thức này với một cơ chế lập lịch tối ưu cho nguồn tài nguyên truyền

Hình 3.27 BS truyền tất cả các PU của tất cả các lớp chất lượng của luồng bit video với tín hiệu multicast được mã hóa xếp chồng

Mỗi SS trong nhóm multicast có thể chỉ giải điều chế một phần từ gói SCM xuyên lớp do SNR của kênh liên quan đến nó, và nhận được số lượng PU của vài lớp chất lượng Ví dụ, hình 3.28(a) SS 1 có thể nhận được các PU của lớp 2 từ hai khe thời gian ở thời điểm t=1 và t=3, SS 2 nhận được các PU của lớp 2 từ 2 khe thời gian đầu tiên như hình 3.29(a), SS 3 bị mất toàn bộ các gói MDC ở timeslot t=3 do fading sâu như hình 3.30(a) SS1, SS 2 , SS 3 như trong hình 3.28-30(b) có thể khôi phục được các PU bị mất và các luồng bit bị mất hoàn toàn trong 2 lớp cho chất lượng video đầy đủ nhờ vào các mào đầu bảo vệ được áp dụng cho mỗi lớp Các PU bị mất trong lớp 2 xung quanh các SS có thể khôi phục thành công bằng mã RS(4,2) cũng như SS có thể giải điều chế và thu được thành công PU K 2 (K 2 =2) từ bất kỳ 2 khe thời gian trong mỗi hàng của lớp 2 Với trường hợp xấu nhất SS 3 , ở đó tất cả các luồng bit của cả 2 lớp ở khe thời gian t=3 bị mất, một luồng bit video hoàn thiện vẫn có thể khôi phục được giống như các SS khác như trong hình 3.30(b) Giải điều chế lớp l trong 1 GoF được thực hiện bởi bộ thu, hiệu quả của SSm được đánh giá bằng số lượng các luồng bit có thể thu được hay khôi phục được của lớp l với BER trung bình trong lớp đó

Hình 3.28-3.30 Chất lượng Video hoàn thiện của GoF được khôi phục ở mỗi SS dưới sự phân tập fading đa người dùng

SNR  i m , ở SS m được xác định bằng công suất pl được phân bố bởi BS đến tín hiệu được điều chế của lớp chất lượng l, khoảng cách dm của SSm từ BS, hệ số suy hao đường truyền  (  =4 cho mạng đô thị và  =3 cho khu vực nông thôn) và một số các yếu tố khác Mối quan hệ được biểu diễn như sau:

Trong đó c là hằng số, h m 2 là một con số ngẫu nhiên với phân phối fading

Rayleigh, W là băng thông hiệu dụng của SS và N 0 là công suất nhiễu nền trung bình Để giải điều chế lớp l, SS giải điều chế 1 tín hiệu bằng cách trừ đi tất cả các tín hiệu được giải điều chế của lớp 1 đến lớp l-1 từ tín hiệu SCM multicast thu được

BS được lựa chọn phương pháp điều chế, RM,l cho lớp l, điều chế thành công của lớp l bởi SSm ở tốc độ truyền cụ thể R M l , (  l m , ) chỉ có thể xảy ra nếu SNR liên quan

 i m , đáp ứng các yêu cầu giới hạn thấp hơn được cho như sau:

BPSK dB and R BPSK fail otherwise

MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ

Mô hình kênh truyền

Hình 4.1 Mô hình kênh truyền

Mô hình kênh truyền bao gồm các khối lọc chính: mã hóa video, mã hóa bảo vệ, điều chế mã hóa xếp chồng, phát tín hiệu, kênh truyền fading Rayleigh, thu tín hiệu, giải điều chế xếp chồng, giải mã bảo vệ và giải mã hóa video Mỗi khối thực hiện một chức năng cụ thể trong quá trình truyền tải và xử lý tín hiệu, từ việc mã hóa tín hiệu video ban đầu đến việc giải mã và đưa ra tín hiệu video có thể sử dụng được tại đầu thu.

Mã hóa bảo vệ RS Điều chế mã hóa xếp chồng

Giải mã hóa bảo vệ RS

Giải điều chế mã hóa xếp chồng

Tín hiệu Kênh truyền Video In

Giải thuật và thông số cho mô phỏng

Các khung video được phát từ nguồn video với tốc độ khung không thay đổi 30 khung hình trên một giây Kích thước của mỗi khung phụ thuộc vào loại khung và nội dung của nguồn video Dữ liệu của mỗi khung được chia thành lớp căn bản (BPSK) và lớp nâng cao (16QAM) với 16 khung trên một GoF Sau đó được đóng gói và truyền đi Giả sử, kênh truyền là kênh Fading Rayleigh, khoảng thời gian của mỗi khung truyền WiMAX của mỗi SS không đổi là 2ms, kích thước FFT là 256, số sóng mang con mang dữ liệu là 192 SNR trung bình của mỗi SS được cho trong bảng sau:

SS SS1 SS2 SS3 SS4 SS5 SS6 SS7 SS8 SS9 SS10

Bảng 4.1 Các thông số mô phỏng và SNR trung bình của các SS Đầu tiên sẽ mô phỏng BER của điều chế SCM và so sánh với các điều chế số thông thường khác như BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM tương ứng Sau đó sẽ mô phỏng trường hợp dùng điều chế mã hóa xếp chồng không dùng mã hóa bảo vệ và mô phỏng trường hợp dùng điều chế mã hóa xếp chồng kết hợp với dùng mã hóa bảo vệ Hai phương pháp này được so sánh chất lượng video với nhau thông qua PSNR thu đươc bởi SS10 và SS 1 Đây là 2 SS tương ứng với SNR trung bình tốt nhất và tồi nhất Trong mô phỏng này, nếu tỉ số tín hiệu trên nhiễu của SS, SNR> thì trạng thái của kênh đó là đủ tốt để hỗ trợ giải điều chế dữ liệu cả 2 lớp chất lượng của 2 phương pháp điều chế 16QAM và BPSK, còn ngược lại, chỉ giải điều chế được lớp chất lượng căn bản khi trạng thái kênh truyền xấu Và giả sử trong trường hợp xấu nhất tất cả các SS vẫn giải mã được với lớp chất lượng căn bản

Kết quả mô phỏng

Hình 4.2 Giao diện chính của chương trình mô phỏng

Hình 4.3 Mô phỏng SCM (BPSK&QPSK) qua kênh Fading Rayleigh

Hình 4.4 Mô phỏng SCM (BPSK&16QAM) qua kênh Fading Rayleigh

Hình 4.5 Mô phỏng SCM (BPSK&64QAM) qua kênh Fading Rayleigh

Hình 4.6 Hình ảnh ban đầu

Hình 4.7 QoS IPTV với kênh xấu, hình ảnh có SNR = 20dB

Hình 4.8 QoS IPTV với kênh tốt, hình ảnh có SNR = 38dB

Hình 4.9 QoS IPTV trên WiMAX dùng SCM chưa có RS

Khi các luồng bit được bảo vệ và được truyền với các thông số: N%5, K1#3, K 2 2 thì chất lượng hình ảnh ở cả SS1 và SS10 được cải thiện đáng kể (SNR cao hơn trường hợp không dùng RS) do khôi phục được các gói bị mất trong quá trình truyền Chất lượng video nhận được ở SS1 và SS10 khác nhau là do SNR trung bình nhận được khác nhau

Hình 4.10 QoS IPTV trên WiMAX dùng SCM có RS

Hình 4.11 QoS IPTV trên WiMAX với ảnh ban đầu

Hình 4.12 Chất lượng ảnh SS1 với điều chế SCM khi chưa có RS

Hình 4.13 Chất lượng ảnh SS10 với điều chế SCM khi chưa có RS

Hình 4.14 Chất lượng ảnh SS1 với điều chế SCM khi có RS

Hình 4.15 Chất lượng ảnh SS10 với điều chế SCM khi có RS

Hình 4.16 Chất lượng ảnh SS1&SS10 với điều chế SCM khi chưa có RS và khi có