NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÃ KÊNH CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN HAP

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG NGUYỄN THỊ THU HIÊN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÃ KÊNH CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN HAP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2019 BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG NGUYỄN THỊ THU HIÊN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÃ KÊNH CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN HAP CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 9.52.02.08 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ NHẬT THĂNG PGS.TS NGUYỄN THÚY ANH HÀ NỘI – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các kết viết chung với tác giả khác đồng ý đồng tác giả trước đưa vào luận án Các kết nêu luận án trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận án Nguyễn Thị Thu Hiên ii LỜI CẢM ƠN Thực luận án tiến sĩ thử thách lớn, đòi hỏi kiên trì tập trung cao độ Tơi thực hạnh phúc với kết đạt đề tài nghiên cứu Những kết đạt khơng nỗ lực cá nhân, mà có hỗ trợ giúp đỡ thầy hướng dẫn, nhà trường, mơn, đồng nghiệp gia đình Tơi muốn bày tỏ tình cảm đến với họ Trước hết, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo - PGS.TS Lê Nhật Thăng cô giáo - PGS.TS.Nguyễn Thúy Anh quan tâm hướng dẫn giúp đỡ tơi suốt q trình thực hồn thành luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn Khoa Viễn thông 1, Khoa Đào tạo Sau Đại học Lãnh đạo Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông tạo điều kiện thuận lợi cho suốt q trình thực luận án Tơi xin cảm ơn tập thể Lãnh đạo, giảng viên Khoa Viễn thông – Học Viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng cổ vũ động viên tơi q trình nghiên cứu Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn vơ hạn cha mẹ gia đình ln bên cạnh ủng hộ, giúp đỡ Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất người bạn tôi, người chia sẻ cổ vũ tơi lúc khó khăn Nghiên cứu sinh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .x CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC xiii MỞ ĐẦU .2 CHƯƠNG 10 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .10 1.1 HẠ TẦNG TRÊN KHÔNG TẦM CAO 10 1.1.1 Giới thiệu chung 10 1.1.2 Các vấn đề mơ hình kênh HAP 13 1.2 MÃ HÓA KÊNH 15 1.3 CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÃ KÊNH CHO HỆ THỐNG HAP 19 1.4 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN, NHẬN XÉT VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 21 1.4.1 Các cơng trình nghiên cứu liên quan nhận xét 21 1.4.2 Hướng nghiên cứu luận án 23 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 24 CHƯƠNG 23 DUNG LƯỢNG KÊNH CỦA HỆ THỐNG HAP .23 2.1 MƠ HÌNH KÊNH HAP 23 2.2 DUNG LƯỢNG KÊNH CỦA HỆ THỐNG HAP 31 2.2.1 Dung lượng kênh không nhớ đầu vào rời rạc - đầu liên tục 32 2.2.2 Xác suất tới hạn 40 iv 2.2.3 Dung lượng tới hạn 42 2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 45 CHƯƠNG 46 THIẾT KẾ MÃ KÊNH TIẾP CẬN DUNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG HAP 46 3.1 BIỂU ĐỒ TRUYỀN ĐẠT THÔNG TIN NGOẠI LAI 46 3.2 ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG MÃ CHẬP KHÔNG ĐỀU TRONG HỆ THỐNG HAP 49 3.2.1 Đặc tính truyền đạt giải mã vòng 52 3.2.2 Đặc tính truyền đạt giải mã vòng ngồi 53 3.3 THIẾT KẾ MÃ KÊNH TIẾP CẬN DUNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG HAP 56 3.3.1 Cơ chế mã hóa IrCC-URC-MOD 57 3.3.2 Mã chập không 58 3.3.3 Thiết kế mã IrCC cho hệ thống HAP 61 3.3.4 Kết thiết kế mã IrCC 68 3.4 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MÃ CHẬP KHÔNG ĐỀU 73 3.4.1 Kết 1: Hiệu chế mã hóa IrCC17(31,27)-URC-QPSK, tỷ lệ mã hóa Rc=0,5 73 3.4.2 Kết 2: Hiệu FER chế mã hóa IrCC17-URC-QPSK qua kênh HAP pha-đinh Rice 75 3.4.3 Kết 3: Hiệu FER chế mã hóa IrCC8-URC-QPSK qua kênh HAP chuyển mạch hai trạng thái 77 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 84 CHƯƠNG 86 XÂY DỰNG MƠ HÌNH GIẢI TÍCH XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG BIÊN XÁC SUẤT LỖI CHO HỆ THỐNG HAP 86 4.1 XÂY DỰNG CƠNG THỨC TÍNH XÁC SUẤT LỖI CẶP 86 v 4.2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH GIẢI TÍCH XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG BIÊN XÁC SUẤT LỖI BIT CỦA CƠ CHẾ MÃ HÓA IrCC-URC-QPSK 90 4.2.1 Xây dựng mơ hình giải tích xác định đường biên xác suất lỗi bit 90 4.2.2 Hàm liệt kê trọng số mã chập thành phần 96 4.2.3 Hàm liệt kê trọng số mã URC 99 4.2.4 Kết đạt 101 4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 102 KẾT LUẬN 103 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CÔNG BỐ 106 PHỤ LỤC 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1 Hệ thống HAP triển khai độ cao 17~22km [4] .11 Hình Giải pháp sử dụng hệ thống HAP cung cấp dịch vụ băng rộng [11] 12 Hình Bán kính vùng phủ hệ thống HAP [4] 15 Hình Độ lợi mã hóa hệ thống có khơng có mã kênh [18] .16 Hình Mã liên kết hai tầng nối tiếp: mã hóa (a) giải mã (b) 18 Hình Các mơ hình thống kê kênh HAP [4] 26 Hình 2 Mơ hình kênh hai tia cho kênh truyền HAP [1] 27 Hình Mơ hình kênh HAP chuyển mạch hai trạng thái [15] 30 Hình Mơ hình DCMC hệ thống sử dụng tín hiệu dạng sóng M mức 34 Hình Dung lượng DCMC hệ thống HAP qua kênh HAP pha-đinh Rice 37 Hình 2.6 Dung lượng DCMC hệ thống HAP qua kênh HAP pha-đinh Rice, sử dụng điều chế QPSK, góc ngẩng khác 38 Hình 2.7 Dung lượng DCMC hệ thống HAP qua kênh HAP pha-đinh Rayleigh 37 Hình Dung lượng DCMC hệ thống HAP qua kênh HAP chuyển mạch .38 Hình Xác suất tới hạn (Pout) DCMC hệ thống HAP qua kênh HAP pha-đinh Rice,   (K=10dB) .41 Hình 10 Xác suất tới hạn (Pout) DCMC hệ thống HAP qua kênh HAP pha-đinh Rayleigh,   0 .41 Hình 11 Dung lượng tới hạn DCMC (Cout) hệ thống, điều chế QPSK qua kênh HAP pha-đinh Rice,   (K=10dB),  khác 43 Hình 12 Dung lượng tới hạn DCMC (Cout) hệ thống, điều chế 16QAM qua kênh HAP pha-đinh Rice,   (K=10dB)  khác 44 Hình 13 Dung lượng tới hạn DCMC (Cout) hệ thống HAP, điều chế QPSK qua kênh HAP pha-đinh Rayleigh,   0 ,  khác 44 vii Hình Bộ mã hóa (a) giải mã SISO (b) 48 Hình Sơ đồ chế mã hóa SCCC [12] .51 Hình 3 Sơ đồ khối đánh giá đặc tính truyền đạt giải mã vòng 53 Hình Đánh giá đặc tính truyền đạt giải mã vòng ngồi 53 Hình Biểu đồ EXIT chế mã hóa kênh [12] qua kênh HAP pha-đinh Rice (K=10 dB), điều chế QPSK, Rc=0,5 55 Hình Sơ đồ chế mã hóa IrCC-URC-MOD cho hệ thống HAP .57 Hình Sơ đồ mã chập thành phần Ck, tỷ lệ mã hóa Rk  0,8 xây dựng từ mã chập mẹ CC(1,15/17) .58 Hình Biểu đồ EXIT mã chập thành phần Ck, tỷ lệ mã hóa Rk  0,8 (a) Rk  0, 75 (b) xây dựng từ mã chập mẹ CC(1,15/17) .59 Hình Mã chập không 17 thành phần (IrCC17) .60 Hình 10 Đường cong EXIT mã chập thành phần xây dựng từ mã chập mẹ CC(1,15/17) CC(1,27/31) .61 Hình 11 Đường cong EXIT IrCC3, IrCC8 IrCC17 66 Hình 12 Đường cong EXIT IrCC3 CC(1,15/17) 67 Hình 13 Đường cong EXIT IrCC8 IrCC17 67 Hình 14 Biểu đồ EXIT chế mã hóa IrCC17(31,27)-URC-QPSK qua kênh HAP pha-đinh Rice,   450 (K=10 dB), Rc=0,5 69 Hình 15 Quỹ đạo giải mã chế IrCC17(31,27)-URC-QPSK, qua kênh HAP phađinh Rice,   450 (K=10 dB), Rc=0,5 69 Hình 16 Mơ hình mơ chế mã hóa IrCC-URC-MOD qua kênh HAP 73 Hình 17 Hiệu BER IrCC17-URC-QPSK CC-URC-QPSK, Rc=0,5, qua kênh HAP pha-đinh Rice Rayleigh 74 viii Hình 18 Hiệu FER IrCC17(31,27)-URC-QPSK SCCC [12] tỷ lệ mã hóa Rc=0,5 qua kênh HAP pha-đinh Rice,   450 (K=10dB) .76 Hình 19 Hiệu FER chế mã hóa IrCC8-URC-QPSK cho hệ thống HAP qua kênh HAP chuyển mạch hai trạng thái 77 Hình Chòm tín hiệu QPSK 87 Hình Chuỗi mã vòng Wj  l , D1 , D2  94 Hình Biểu đồ lưới CC(1,15/17) với tỷ lệ mã hóa Rc= 0,5 (a) Rc=0,67 (b) .96 Hình 4 Biểu đồ trạng thái mở rộng mã chập CC(1,15/17), Rc =0,67 .97 Hình Sơ đồ lưới hợp URC .99 Hình Đường biên xác suất lỗi bit hệ thống HAP sử dụng chế mã hóa IrCC8(17,15)-URC-QPSK, Rc=0,67, qua kênh HAP chuyển mạch hai trạng thái 101