Bài báo này trình bày về hệ thống truyền thông số qua môi trường truyền dẫn vô tuyến có fading Rayleigh, các kỹ thuật xáo trộn và hệ thống sử dụng kỹ thuật mã hóa kết hợp với xáo trộn bít, thực hiện mô phỏng hệ thống để khẳng định việc kết hợp mã hóa và xáo trộn sẽ nâng cao hiệu quả của hệ thống truyền dẫn vô tuyến.
Trần Anh Thắng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 121 - 125 HIỆU QUẢ CỦA VIỆC KẾT HỢP XÁO TRỘN VÀ MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN Trần Anh Thắng*, Phan Thanh Hiền Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Ngun TĨM TẮT Mơi trường truyền dẫn hệ thống thơng tin vơ tuyến phức tạp có nhiều yếu tố ảnh hưởng fading, suy hao , làm cho chất lượng độ tin cậy hệ thống suy giảm Phương pháp mã hóa kênh (mã hóa sửa lỗi hướng đi) kỹ thuật để nâng cao chất lượng hệ thống, ta kết hợp thêm kỹ thuật khác cho phép nâng cao khả truyền dẫn Bài báo trình bày hệ thống truyền thơng số qua mơi trường truyền dẫn vơ tuyến có fading Rayleigh, kỹ thuật xáo trộn hệ thống sử dụng kỹ thuật mã hóa kết hợp với xáo trộn bít, thực mô hệ thống để khẳng định việc kết hợp mã hóa xáo trộn nâng cao hiệu hệ thống truyền dẫn vô tuyến Từ khóa: Mã hóa kênh, xáo trộn, truyền dẫn vơ tuyến, kết hợp mã hóa xáo trộn, kênh Rayleigh GIỚI THIỆU CHUNG* Trong tất hệ thống thông tin, hai tiêu chí quan trọng cần hướng tới nhanh chóng xác, nghĩa thiết kế, xây dựng hay vận hành hệ thống thông tin, vấn đề cần phải quan tâm hàng đầu tốc độ truyền tin khả kiểm sốt lỗi thơng tin Các hệ thống thơng tin thực tế thường có kênh truyền với băng thông giới hạn, làm hạn chế tốc độ truyền bên cạnh đó, loại tạp nhiễu (tạp âm Gauss, fading, ) gây méo tín hiệu, dẫn đến gây lỗi thông tin Đấy nhân tố làm ảnh hưởng xấu đến tiêu chí nói [1] Chính nghiên cứu để khắc phục ảnh hưởng không mong muốn kênh truyền, thiết bị nhằm mục đích nâng cao tốc độ độ tin cậy đề Một biện pháp dùng để kiểm soát lỗi bit, tăng độ tin cậy thông tin nhận đầu thu hệ thống thông tin dùng mã chống nhiễu (chống lại tác động can nhiễu) hay gọi mã kênh Tuy nhiên, tính chất điển hình kênh vơ tuyến fading lựa chọn tần số, có tượng fading sâu gây nên số bít lỗi xuất thành cụm, gọi lỗi cụm Trong hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật truyền phát OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), nhìn chung sóng mang phụ tín hiệu OFDM thường có * Tel: 0913 567770, Email: trananhthang@tnut.edu.vn biên độ khác nhau, có tượng fading sâu phổ tần gây nên khả tái tạo nhóm sóng mang phụ, điều gây nên lỗi cụm Hầu hết mã sửa lỗi trước (FEC: Forward Error Correction) sửa số lỗi mà khơng thể sửa lỗi cụm Do đó, để khắc phục tác động fading, dùng phương pháp phân tập thời gian cách sử dụng xáo trộn (interleaver) Dãy bit truyền xáo trộn ngẫu nhiên đầu phát, cụm lỗi fading gây nên phân tán thành lỗi đơn nhờ giải xáo trộn đầu thu, hoạt động theo quy tắc ngược lại với xáo trộn đầu phát Chính vậy, việc kết hợp mã hóa với xáo trộn cho hệ thống vô tuyến nâng cao độ tin cậy tuyến truyền dẫn HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SỐ VỚI MÃ HÓA KÊNH VÀ XÁO TRỘN Hệ thống thơng tin số với mã hóa kênh Hình mơ tả hệ thống thông tin số đơn giản Thông tin đầu vào dạng số hay tương tự (cần đưa qua biến đổi A/D) tới mã hố nguồn, có chức cắt bỏ bit dư thừa hay nén thông tin nhằm giảm độ rộng phổ dãy bit ut đưa tới mã hoá kênh Bộ mã hoá kênh tạo dãy bit mã ct cách thêm bit kiểm tra để phát lỗi sửa lỗi đầu thu Sau điều chế tạo tín hiệu dạng sóng để truyền qua kênh thông tin Tại đầu thu, thực trình ngược 121 Trần Anh Thắng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ lại với đầu phát Tín hiệu thu từ kênh truyền qua giải điều chế thành dãy bit cˆ t đưa tới giải mã kênh, dấu mũ thể số bít bị lỗi tác động nhiễu kênh truyền Nhờ có giải mã kênh, dãy bit uˆ t đầu có tỉ lệ lỗi bit (BER) nhỏ so với BER dãy cˆ t Sau qua giải mã nguồn thành dạng thông tin đưa tới nhận tin Kênh truyền môi trường vật lý cho phép truyền tín hiệu từ đầu phát đến đầu thu Do tác động nhiễu tạp đường truyền, tín hiệu đến đầu thu thường bị méo dẫn tới hậu dãy bit thu bị lỗi, tức dãy bit ˆ t khác so với dãy bit vào ut u số vị trí bit Các yếu tố tác động gây méo tín hiệu điển hình nhiễu AWGN fading Khi xét tác động tạp âm AWGN kênh truyền gọi kênh AWGN hay kênh Gauss tạp âm có hàm mật độ xác suất phân bố chuẩn (phân bố Gauss) Hệ thống thông tin số dùng mã hóa kênh kết hợp với xáo trộn Trong sơ đồ này, bít đầu máy mã nhị phân (dãy ct ) xáo trộn vị trí (thành dãy v t ) trước ánh xạ vào tập tín hiệu S Tín hiệu truyền tín hiệu phức st = µ (vt ) khơng gian tín hiệu S cho Ở đây, hàm µ thể quy tắc ánh xạ tập nhóm m bit với tập điểm chòm tín hiệu Ở đầu thu, tín hiệu nhận rt = ht st + nt , ht hệ số fading Giả thiết kênh fading chậm ht khơng đổi suốt khoảng thời gian symbol (nên bỏ số t ) ước lượng hệ số đầu thu nt tạp âm Gauss trắng chuẩn cộng tính, có mật độ phổ cơng suất bên N Tại phía thu, sau giải điều chế, chuỗi bít giải xáo trộn trước giải mã tín hiệu CÁC KỸ THUẬT XÁO TRỘN BÍT (INTERLEAVING) Xáo trộn việc xếp có chu kỳ ký tự (hoặc bít) truyền (L) Các ký tự (bit) tương ứng xếp lại giải 122 99(11): 121 - 125 xáo trộn phía thu Xáo trộn sử dụng để phân tán lỗi cụm, cụm lỗi tách biệt khoảng cách dài chu kỳ xáo trộn, chúng phân bố đồng theo thời gian (hay rộng kích thước) giải xáo trộn phía thu Sự phân bố lỗi cho khả hiệu mơ hình thực tế mã hóa đầu vào (mã turbo) mã hóa kênh mơ hình kênh khơng nhớ (BSC: Binary Symmetric Channel - kênh nhị phân đối xứng, DMC: Discrete Memoryless Channel - kênh rời rạc không nhớ) kênh khác mà kết ký tự đầu độc lập với (kênh khơng nhớ) Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống thơng tin số đơn giản Hình 2: Hệ thống thông tin số kết hợp xáo trộn Định nghĩa 1: (Chiều sâu xáo trộn) chiều sâu J xáo trộn định nghĩa tách biệt tối thiểu hai ký tự đầu xáo trộn mà đầu vào xáo trộn đó, chúng ký tự liền kề Độ sâu xáo trộn có ý nghĩa quan trọng cụm lỗi đầu vào giải xáo trộn phía thu Nếu cụm lỗi có khoảng thời gian so với độ sâu, ký tự bị ảnh hưởng cụm lỗi khơng thể liền kề sau giải xáo trộn Trần Anh Thắng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Định nghĩa 2: (Chu kỳ xáo trộn) Chu kỳ L xáo trộn khoảng thời gian ngắn mà thuật toán xếp lại sử dụng lặp lặp lại xáo trộn Về bản, chu kỳ thiết lập cách mô tả chi tiết xáo trộn thước đo chiều dài khối ký hiệu đầu vào mà xáo trộn áp dụng Bộ xáo trộn hoạt động lặp lại với thuật toán dựa khối cách L ký tự Thường kỳ chu kỳ xáo trộn chọn với chiều dài khối mã hóa đầu mã khối sử dụng kết nối nối tiếp Xáo trộn khối (block interleaving) Đối với xáo trộn khối, bít đầu vào xáo trộn thường tổ chức thành khối ghi vào đệm (hình 3), bít đầu vào viết vào cột đầu bít đọc thành hàng Bảng ví dụ việc xáo trộn bít Các bít đầu vào (khối 16 bít) viết vào cột, đầu bít đọc theo hàng là: 0, 4, 8, 12, 1, 5, 9, 13, 2, 6, … Chiều sâu xáo trộn J = Chu kỳ L = 4×4 = 16 12 13 10 14 11 15 Hình 3: Bộ đệm dùng để ghi đọc xáo trộn khối Bộ giải xáo trộn đặt phía thu nhận bít đưa đến từ giải điều chế viết chúng vào đệm theo nguyên tắc ngược với xáo trộn: ghi vào theo hàng đọc theo cột Bộ xáo trộn gọi xáo trộn khối cổ điển Đối với xáo trộn khối cổ điển, cụm ký tự bị lỗi B phân bố đồng J khối ký tự trình giải xáo trộn máy thu Nếu là cụm lỗi tổng số L ký tự nhận độ dài khối ký tự với chiều dài từ mã cho mã khối, giải mã đầu với giải mã định cứng sửa khoảng J ký hiệu bị lỗi Nếu chiều sâu J 99(11): 121 - 125 lớn đồng nghĩa với nhớ cần lớn độ trễ lớn hiệu lại đạt nhiều Xáo trộn xoắn (Convolutional Interleaving) Xáo trộn xoắn kỹ thuật sử dụng khâu trễ việc tạo dãy xáo trộn, ln có khâu trễ truyền dẫn So với xáo trộn khối, xáo trộn xoắn cho phép giảm trễ (do trình ghi đọc vào/ra nhớ) số lượng nhớ cho việc hoạt động với độ sâu J cho Bộ xáo trộn xoắn gọi xáo trộn tam giác cho trường hợp đặc biệt xáo trộn xoắn, phần tử trễ D xếp ma trận đường chéo tăng giảm minh họa hình Các phần tử trễ D (hoặc nhớ) tổ chức cấu trúc hình tam giác xáo trộn giải xáo trộn Các ký tự (hoặc bit) vào xáo trộn tam giác từ bên trái với ký tự nối tiếp định vị theo chu kỳ tới đường Chuyển mạch đầu vào chuyển mạch đầu cho việc xáo trộn đồng bộ, vị trí cùng, ký tự truyền đến đầu ra, vị trí thứ 2, ký tự giữ lại nhịp truyền nhịp Cuối cùng, ký tự hàng trải qua hai khâu trễ trước tới đầu chuyển mạch Bộ giải xáo trộn hoạt động theo cách tương tự, với ký tự không bị giữ chậm phía phát lại giữ chậm nhịp phía thu, ký tự (thứ 2) giữ chậm nhịp ký tự (được giữ chậm nhịp phía phát) khơng bị giữ chậm phía thu Rõ ràng tất ký tự sau trải qua hai xáo trộn giải xáo trộn giữ chậm chu kỳ Bất kỳ ký tự liên tiếp đầu vào có ký tự từ khối khác đầu vào khác chen vào minh họa hình ta có chiều sâu J = Bộ xáo trộn tam giác đòi hỏi nhiều 1/4 nhớ xác 1/2 khâu trễ so với xáo trộn khối cổ điển Trong xáo trộn hình tam giác, chu kỳ L thiết lập với chiều dài từ mã Chu kỳ không dài giá trị K J xáo trộn khối Vì chu kỳ ngắn hơn, việc đồng hóa cho xáo trộn xoắn đòi hỏi xáo trộn khối 123 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Xáo trộn ngẫu nhiên Mục tiêu xáo trộn ngẫu nhiên để tạo khối dài cho mã kết nối nối tiếp xem mã Các mã lựa chọn ngẫu nhiên, miễn chiều dài khối dài, thường dung lượng Xáo trộn ngẫu nhiên thiết lập phần tử ngẫu nhiên thiết kế mã để không gia tăng độ phức tạp, mô sử dụng giải mã lặp hai mã xen kẽ Số lượng cách thiết kế chủ yếu giảm chiều dài từ mã, độ dài xáo trộn mơ hình kiện lỗi có khoảng cách thấp xảy hai mã thích hợp mã turbo giới thiệu báo khác Phần trình bày kỹ thuật xáo trộn Bộ xáo trộn giả ngẫu nhiên Bộ xáo trộn giả ngẫu nhiên sử dụng chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên (PRBS- pseudorandom binary sequence) Chuỗi dựa lý thuyết đa thức có độ dài cực đại Bậc ν đa thức chọn để với số học nhị phân số nguyên tố Mạch (nếu khởi tạo với điều kiện ban đầu khác không) tạo chuỗi định kỳ 2ν mà vậy, thiết phải bao gồm tất mẫu nhị phân khác khơng có chiều dài ν bít Chu kỳ xáo trộn khơng lớn so với chu kỳ PRBS Bộ xáo trộn giả ngẫu nhiên sử dụng PRBS để xác định vị trí đầu ký hiệu (hay bít) đầu vào Vì vậy, bit đầu PRBS kết hợp với ν-1 ký tự cuối cùng, bít (bít thứ k đầu vào xáo trộn) cụ thể xác định địa (π (k)) khỏi xáo trộn Nếu địa vượt chu kỳ xáo trộn (khi L < 2ν-1), loại bỏ trước sử dụng, mạch PRBS quay vòng trở 124 10 Simulation 16QAM over Rayleigh Channel: Theory and coding Coderate=1/2 Coderate=2/3 Theory 10 10 -1 -2 BER Hình 4: Xáo trộn giải xáo trộn xoắn 99(11): 121 - 125 lại Bộ giải xáo trộn tạo chuỗi giống xáo trộn, trích xuất ký tự thứ (π (k)) khơi phục vào vị trí k Rõ ràng, xáo trộn giả ngẫu nhiên tương ứng với khối xáo trộn, trừ chu kỳ xác L = 2ν - 1, trường hợp này, cấu trúc có việc thực thay với hệ khơng nhớ có trễ CÁC KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Các kết mơ thực với kỹ thuật xáo trộn khối (chiều sâu J=8 chu kỳ L độ dài chuỗi mô phỏng) xáo trộn xoắn (với hàng hay J=9, L độ dài chuỗi mô phỏng) kết hợp với mã xoắn tốc độ ½ tốc độ 2/3 với điều chế 16QAM kênh truyền fading Rayleigh theo mơ hình Jakes [3] với cách thực mơ thực [4] với thông số 35 tia, thời gian tồn xung Ts=10-5s, tần số doppler fD = 10Hz Các kết mô cho hình để đánh giá nguyên lý truyền dẫn với điều chế 16QAM qua kênh fading Rayleigh sử dụng mã kênh với tốc độ mã hóa ½ tốc độ 2/3 10 10 10 -3 -4 -5 10 15 EbNo 20 25 30 Hình 5: Hệ thống với mã xoắn tốc độ ½ tốc độ 2/3 Hình thể việc kết hợp xáo trộn khối kết hợp với mã kênh có tốc độ mã hóa 1/2 2/3; hình thể việc kết hợp xáo trộn xoắn kết hợp với mã kênh có tốc độ mã hóa 1/2 2/3 thông số truyền dẫn Simulation 16QAM over Rayleigh Channel with Interleaver and coding 10 -1 10 -2 10 BER Trần Anh Thắng Đtg -3 10 -4 10 Coderate=1/2 Coderate=2/3 Coderate=1/2, Block Interleaving Coderate=2/3, Block Interleaving -5 10 -6 10 10 15 EbNo 20 25 30 Hình 6: Hệ thống kết hợp xáo trộn khối với mã xoắn Trần Anh Thắng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Simulation 16QAM over Rayleigh Channel with Interleaver and coding 10 -1 10 -2 BER 10 -3 10 -4 10 Coderate=1/2 Coderate=2/3 Coderate=1/2, Convolutional Interleaving Coderate=2/3, Convolutional Interleaving -5 10 10 15 EbNo 20 25 30 Hình 7: Hệ thống kết hợp xáo trộn xoắn với mã xoắn KẾT LUẬN Các kết mô cho ta thấy, tỷ số Eb/No đạt giá trị định kết sử dụng mã hóa tốt nhiều so với khơng mã hóa kết mã hóa có tốc độ 2/3 đạt kết tốt tỷ số Eb/No cao Khi kết hợp mã hóa xáo trộn, kết mô phản ánh sở lý thuyết đánh giá ban đầu báo kết hợp mã hóa xáo trộn cho kết tốt có mã hóa Kết mơ kết hợp xáo trộn mã hóa cho thấy hiệu kết hợp thể vượt trội tốc độ mã hóa ½ Bài báo thể hệ thống thông tin số sử dụng mã hóa kênh để tăng độ tin cậy 99(11): 121 - 125 đường truyền qua kênh vô tuyến có fading Rayleigh, mơi trường phức tạp truyền thơng vơ tuyến, kết hợp mã hóa xáo trộn bít cho phép nâng cao chất lượng truyền dẫn Trong hệ thống truyền dẫn, việc kết hợp mã hóa, xáo trộn thể cho thấy chất lượng cải thiện rõ so với không kết hợp Nếu kết hợp xáo trộn, mã hóa điều chế cải thiện chất lượng hệ thống nội dung tác giả trình bày báo khác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Viterbi, “Approaching the Shannon limit: Theorist’s dream and practitioner’s challenge,” in Proc 2nd Eur Workshop on Mobile/Personal Satcoms, London, U.K., 1996, pp 1–11 [2] S Lin, J Daniel, and J Costello, Error control coding Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall, Inc., 1983 [3] W.C.Jakes, Microwave Mobile Communications Piscataway, NJ: IEEE Press,1994 [4] Trần Xuân Nam, Mô hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng matlab, Học viện Kỹ thuật Quân SUMMARY THE EFFECT OF THE COMBINATION OF ENCODE AND INTERLEAVING IN WIRELESS TRANSMISSION SYSTEM Tran Anh Thang*, Phan Thanh Hien College of Technology - TNU Environmental transmission of radio communication systems are complex and there are many factors affecting such as fading, attenuation, etc , making the quality and reliability of the system decreased Channel coding (FEC: Forward Error Correction) is a technique to improve the quality of the system, but if we incorporate more other techniques will allow more power to be transmitted This paper presents a digital communication system through radio transmission environment with Rayleigh fading, the interleaving technique and system use encoding techniques combined with bit interleaving and this system is simulated to enhance the effectiveness of wireless transmission systems Keywords: channel coding, interleaving, wireless transmission, the combination of encode and interleaving, Rayleigh channels Ngày nhận bài:30/10/2012, ngày phản biện:08/11/2012, ngày duyệt đăng:10/12/2012 * Tel: 0913 567770, Email: trananhthang@tnut.edu.vn 125 ... Eb/No cao Khi kết hợp mã hóa xáo trộn, kết mơ phản ánh sở lý thuyết đánh giá ban đầu báo kết hợp mã hóa xáo trộn cho kết tốt có mã hóa Kết mơ kết hợp xáo trộn mã hóa cho thấy hiệu kết hợp thể vượt... tuyến, kết hợp mã hóa xáo trộn bít cho phép nâng cao chất lượng truyền dẫn Trong hệ thống truyền dẫn, việc kết hợp mã hóa, xáo trộn thể cho thấy chất lượng cải thiện rõ so với không kết hợp Nếu kết. .. thống với mã xoắn tốc độ ½ tốc độ 2/3 Hình thể việc kết hợp xáo trộn khối kết hợp với mã kênh có tốc độ mã hóa 1/2 2/3; hình thể việc kết hợp xáo trộn xoắn kết hợp với mã kênh có tốc độ mã hóa 1/2