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

Bài viết này trình bày nguyên lí mã hóa thích nghi của kênh truyền vô tuyến số và xây dựng mô hình mô phỏng để tính tốc độ truyền dữ liệu trung bình và hiệu quả sử dụng băng thông kênh truyền.

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