Thiết kế bộ mã cho truyền thông liên tác

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẶNG NGỌC HẠNH CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mà SỐ NGÀNH: 02.07.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp Hồ Chí Minh 12/2009 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS-TS LÊ TIẾN THƯỜNG (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: TS NGUYỄN MINH HOÀNG (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: TS LƯU THANH TRÀ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 30 tháng 12 năm 2009 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc TP HCM, ngày 14 tháng 12 năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên Ngày tháng năm sinh Chuyên ngành I II III IV V : Đặng Ngọc Hạnh : 17/05/1984 : Kỹ thuật điện tử Phái Nơi sinh MSHV : Nữ : Tp HCM : 01407673 TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế mã cho truyền thông liên tác NHIỆM VỤ: ƒ Tìm hiểu sở lý thuyết kênh truyền relay, thơng số mơ hình giao thức chuyển tiếp truyền thông liên tác ƒ Nghiên cứu mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp LDPC, thiết kế mơ mã hóa giải mã LDPC ƒ Tìm hiểu thiết kế mã áp dụng cho truyền thơng liên tác, cụ thể dùng mã LDPC cho giao thức chuyển tiếp ƒ Thực mô để đánh giá mã cho giao thức giải mã-chuyển tiếp DF, so sánh với giới hạn theo lý thuyết thông tin NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Lê Tiến Thường CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày……tháng… năm 2009 TRƯỞNG PĐT-SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn Đặng Ngọc Hạnh Trước tiên, tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc tới PGS-TS Lê Tiến Thường tạo điều kiện thuận lợi trang thiết bị tài liệu tham khảo cần thiết để tơi hồn thành tốt luận án Tp HCM, ngày 14 tháng 12 năm 2009 Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô khoa ĐiệnĐiện tử, môn Viễn thông truyền đạt cho tơi kiến thức bổ ích chuyên ngành lẫn kinh nghiệm học tập, nghiên cứu Khoa học Tơi xin cảm ơn thầy phịng Đào tạo Sau đại học, thư viện trường tạo điều kiện cho tơi suốt q trình học tập Tơi cám ơn anh chị, bạn bè hỗ trợ, động viên suốt thời gian qua Cuối không phần quan trọng, xin gửi lời cám ơn tới ba mẹ anh chị tạo điều kiện nguồn động viên lớn lao giúp tơi theo đuổi hồn thành chương trình cao học Xin chân thành cảm ơn, Đặng Ngọc Hạnh TÓM TẮT NỘI DUNG ðỀ TÀI ðề tài này thảo luận việc triển khai thực mã cho truyền thông kết hợp Và mã kiểm tra chẵn lẻ mật ñộ thấp (LDPC) ñược sử dụng thành phần hai giao thức giải mã-chuyển tiếp (DF) dự toán-chuyển tiếp (EF) Trong chuyển tiếp DF, vấn đề rút lại tìm kiếm mã kiểm tra chẵn lẻ mật ñộ thấp LDPC (Low Density Parity Code) ña tốc ñộ (multi-rate) hoạt ñộng tốt cho liên kết nguồn-bộ chuyển tiếp nguồn-đích Mặt khác, chuyển tiếp EF, thách thức thiết kế lượng tử hóa hiệu để hình thành ước tính nén chuyển tiếp Hiệu hoạt ñộng chương trình ñược so sánh với giới hạn lý thuyết Thực ñề tài luận văn này, mơ hình truyền thơng liên tác ñược giới thiệu, cụ thể kênh truyền relay giao thức liên tác giải mã-chuyển tiếp (DF), dự tốn-chuyển tiếp (EF) khuếch đại-chuyển tiếp (AF) Mơ hình kênh truyền chuyển tiếp bán song cơng trình bày Mã hóa DF mã hóa EF giới thiệu cụ thể thro mơ hình lý thuyết thơng tin thực tế Phần giới thiệu mã LDPC thông qua lý thuyết mã hóa, mã khối tuyến tính, đồ thị Tanner, cơng thức tốn học giải thuật mã hóa giải mã LDPC, cụ thể giải thuật tổng-tích (SPA) sử dụng giải mã LDPC ðể cho thấy ưu ñiểm kiểm sốt lỗi mã LDPC, ta thực mơ mã LDPC môi trường nhiễu Gauss dùng Matlab Sau đó, cụ thể hóa thiết kế mã cho truyền thông liên tác dùng giao thức liên tác DF EF trình bày Phần thiết kế cho giao thức DF ñược kiểm chứng thực tế qua phần mơ Matlab Một mơ hình kênh truyền relay dùng giao thức DF mã hóa/giải mã LDPC mơi trường nhiễu Gauss mơ dải khảo sát Eb/No, cho thấy khả kiểm soát lỗi tốt việc liên tác truyền thông, cụ thể sử dụng thông tin lề gửi từ relay Từ khố: truyền thơng liên tác, thiết kế mã, LDPC, giao thức liên tác giải mã chuyển tiến (DF) dự toán chuyển tiến (EF) ABSTRACT The aim of this thesis is to discuss about the implementing codes for cooperative communications In each case, the starting point is an information theoretic random coding scheme, which can lead to set up a practical code The Low Density Parity Code (LDPC) is used as components in both decode-and-forward (DF) and estimate-and-forward (EF) protocols In DF relaying, the root of problems is to find a Multi-rate LDPC, which operates well for the link between source-relay and source-destination While in EF relaying, the challenge is how to design an efficient quantization system to form a compressed estimation at the relay The overall efficiency of the program is compared with limits in theory This thesis is “Code design for cooperative communications” So firstly, the model of cooperative communications was introduced with concept of relay channel as well as cooperative protocols (DF, EF and AF) We concentrated on DF and EF protocols since they provide good performance Secondly, LDPC code was presented with mathematical bases of algorithms for encoder and decoder LDPC code In particular, Sum-Product algorithm (SPA) was used in the decoder, so it were clearly described To show that LDPC can detect and correct error, we simulated LDPC code over AGWN channel in Matlab program Thirdly, practical design codes for DF and EF cooperative protocols were expounded in detail Finally, code design for DF was finally verified that giving good performance from results of our simulation in Matlab program That simulation was applied for relay channel use DF protocol, with a full model of communication from source encoder to joint-source decoder at destination in the examined Eb/N0 range Keywords: cooperative communication, LDPC (Low Density Parity Code), DF (decodeand-forward) and EF (estimate-and-forward) cooperative protocols, relay channel Thiết kế mã cho truyền thông liên tác THD: PGS.TS Lê Tiến Thường Mục lục Mục lục i Danh mục thuật ngữ viết tắt iii Danh mục hình vẽ iv Danh mục bảng biểu vi Chương GIỚI THIỆU .7 1.1 Đặt vấn đề 1.1.1 Truyền thông liên tác 1.1.2 Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp LDPC 1.2 Cấu trúc luận văn 11 Chương TRUYỀN THÔNG LIÊN TÁC 13 2.1 Giới thiệu .13 2.2 Truyền thông liên tác .13 2.2.1 Mơ hình hệ thống 15 2.2.2 Các giao thức chuyển tiếp .18 2.2.3 Mã hóa chuyển tiếp DF 21 2.2.4 Mã hóa chuyển tiếp EF 25 Chương Mà HÓA VÀ GIẢI Mà LDPC .29 3.1 Giới thiệu mã hóa 29 3.1.1 Điều chế mã hóa .30 3.1.2 Giải mã cực đại khả (Maximum likelihood decoding) 34 3.1.3 Mã khối tuyến tính 34 3.1.4 Syndrome phát lỗi (Error detection) 37 3.1.5 Đồ thị tanner mã khối tuyến tính 38 3.2 Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (Low Density Parity Check) .41 3.2.1 Giới thiệu 41 3.2.2 Giải thuật giải mã cho mã LDPC 45 b Giải mã LDPC .50 3.2.3 Bộ giải mã LDPC 54 Chương MÔ PHỎNG BỘ Mà LDPC 65 4.1 Mơ hình thơng tin mơ Matlab 65 4.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin .65 4.3 Mô tỉ lệ lỗi bit BER 67 Mục lục i HVTH: Đặng Ngọc Hạnh Thiết kế mã cho truyền thông liên tác THD: PGS.TS Lê Tiến Thường Chương THIẾT KẾ BỘ Mà CHO TRUYỀN THÔNG LIÊN TÁC 71 5.1 Thiết kế mã LDPC cho chuyển tiếp DF .71 5.1.1 Thiết kế mã LDPC cho r = 71 5.1.2 Thiết kế mã LDPC cho r = 72 5.2 Tối ưu hóa mơ tả mã LDPC 72 5.2.1 Tối ưu mô tả mã LDPC 73 5.2.2 Tối ưu hóa mơ tả mã chuyển tiếp 75 5.2.3 Xấp xỉ Gaussian cho kênh truyền chuyển tiếp 77 5.3 Thiết kế lượng tử hóa 81 5.3 Bộ giải mã đồ thị nhân tố (Factor graph) .84 Chương MÔ PHỎNG GIAO THỨC GIẢI MÃ-CHUYỂN TIẾN DF 89 6.1 Mơ hình mơ .89 6.2 Kết mô 91 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 94 7.1 Những kết đạt 94 7.2 Những hạn chế luận văn 95 7.3 Hướng phát triển 95 Tài liệu tham khảo 97 PHỤ LỤC 99 Lý thuyết đại số hình học 99 Hệ thống thông tin di động 113 Giao diện mô 126 Mục lục ii HVTH: Đặng Ngọc Hạnh Thiết kế mã cho truyền thông liên tác THD: PGS.TS Lê Tiến Thường Danh mục thuật ngữ viết tắt AF - Amplify-and-forward AWGN - Additive white Gaussian noise BC - Broadcast BER - Bit error rate BPSK - Binary Phase Shift Keying BSC - Binary symmetric channel CSI - Channel state information DF - Decode-and-forward DMC - Discrete Memoryless Channel EF - Estimate-and-forward LDPC - Low-density parity check LLR - Log-likelihood ratio MAC - Multiple-access MIMO - Multi Input Multi Output MPSK - M-ary phase-shift-keying OFDM - Orthogonal frequency-division multiplexing QPSK - Quadature Phase Shift Keying RCPC - Rate-compatible punctured convolutional codes SIMO - Single input – multiple output SNR - Signal noise ratio SPA - Sum-product algorithm Danh mục thuật ngữ iii HVTH: Đặng Ngọc Hạnh Thiết kế mã cho truyền thông liên tác THD: PGS.TS Lê Tiến Thường Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Minh họa hệ thống truyền thông liên tác đơn giản Hình 2.1 Minh họa hệ thống truyền thơng liên tác đơn giản Hình 2.2 Trong truyền thơng liên tác, thiết bị di động vừa người dùng (đích) vừa chuyển tiếp Hình 2.3 Kênh truyền chuyển tiếp đầu cuối thơng thường Hình 2.4 Các mode chuyển tiếp bán song cơng Hình 2.5 Kênh truyền chuyển tiếp với mã nguồn, chuyển tiếp đích đường thẳng Hình 2.6 Các phương pháp chuyển tiếp Hình 2.7 Hợp tác mã Hình 2.8 Mã hóa cho DF: S truyền từ mã CSR1 = CSD1 mode BC Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền liệu Hình 3.2 Chịm tín hiệu BPSK, QPSK, 8-PSK Hình 3.3 Hệ thống mã hóa kênh truyền nhiễu trắng Gaussian Hình 3.4 Định dạng có hệ thống từ mã Hình 3.5 Đồ thị với đỉnh 10 cạnh Hình 3.6 Biểu đồ song phương Hình 3.7 Biểu đồ tanner mã khối tuyến tính (7,3) Hình 3.9 Lưu đồ giải thuật tạo ma trận H G mã LDPC Hình 3.10 Lưu đồ giải thuật SPA Hình 4.1 Hệ thống thơng tin sử dụng mã LDPC Hình 4.2 Sơ đồ giải thuật mơ mã LDPC dùng giải mã SPA Hình 4.3 Kết BER mô qua kênh AWGN mã LDPC chiều dài (32,64), (64,128), (128,256), (256,512) qua tích lũy 100 lỗi Hình 4.4 Kết FER mơ qua kênh AWGN mã LDPC chiều dài (32,64), (64,128), (128,256) qua (256,512) qua tích lũy 100 lỗi Danh mục hình vẽ iv HVTH: Đặng Ngọc Hạnh Thiết kế mã cho truyền thông liên tác THD: PGS.TS Lê Tiến Thường Hình 2.1 Các tượng xảy trình truyền song ƒ Phản xạ (reflection): sóng đập vào bề mặt phẳng (Hình 2.1a ) ƒ Tán xạ (scaterring): sóng đập vào vật có bề mặt khơng phẳng vật có chiều dài so sánh với chiều dài bước sóng (Hình 2.1b ) ƒ Nhiễu xạ (diffraction): sóng va chạm với vật có kích thước lớn nhiều chiều dài bước sóng (Hình 2.1c ) Khi sóng va chạm vào vật cản tạo vơ số tín hiệu, số tới máy thu (hình 2.2) Do này phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ vật khác theo đường dài ngắn khác nên: Thời điểm tới máy thu khác nhau, tức độ trễ pha thành phần khác Các suy hao khác nhau, tức biên độ thành phần khác Hình 2.2 Tín hiệu gốc thành phần multipath Tín hiệu máy thu tổng tất này, tùy thuộc vào biên độ pha sao: ƒ Tín hiệu thu tăng cường hay cộng tích cực đồng pha ƒ Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực ngược pha Tuỳ theo đáp ứng tần số kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading channel) hay kênh truyền phẳng (frequency nonselective fading channel), kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading channel) hay biến đổi chậm (slow fading channel) Tuỳ theo đường bao tín hiệu sau qua kênh truyền có phân bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay Ricean Phụ lục HVTH: Đặng Ngọc Hạnh Thiết kế mã cho truyền thông liên tác Kênh truyền vơ tuyến Tín hiệu phát 0 t0 t1 t2 THD: PGS.TS Lê Tiến Thường Tín hiệu thu t t t t t t Hình 2.3 Kênh truyền chọn lọc tần số biến đổi theo thời gian Hình 2.3 mơ tả đáp ứng kênh truyền chọn lọc tần số biến đổi theo thời gian, ta phát xung vuông kênh truyền thời điểm khác nhau, tín hiệu thu có hình dạng khác xung ban đầu khác thời điểm kích xung khác b Kênh truyền fading chọn lọc tần số kênh truyền fading phẳng Kênh truyền chọn lọc tần số kênh truyền có đáp ứng tần số khác nhau, không phẳng dải tần số, tín hiệu tần số khác qua kênh truyền có suy hao xoay pha khác Một kênh truyền có bị xem chọn lọc tần số hay khơng cịn tùy thuộc vào băng thơng tín hiệu truyền Nếu tồn khoảng băng thơng tín hiệu đáp ứng tần số phẳng, ta nói kênh truyền khơng chọn lọc tần số (frequency nonselective fading channel), hay kênh truyền phẳng (flat fading channel), ngược lại đáp ứng tần số kênh truyền không phẳng, không giống băng thơng tín hiệu, ta nói kênh truyền kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading channel) Mọi kênh truyền vơ tuyến khơng thể có đáp ứng phẳng dải tần vô tuyến, nhiên kênh truyền xem phẳng khoảng nhỏ tần số Phụ lục HVTH: Đặng Ngọc Hạnh Thiết kế mã cho truyền thông liên tác THD: PGS.TS Lê Tiến Thường Hình 2.4 Đáp ứng tần số kênh truyền Hình 2.4 cho ta thấy kênh truyền chọn lọc tần số tín hiệu truyền có băng thơng lớn nằm từ 32 MHz đến 96 MHz, nhiên tín hiệu có băng thơng nhỏ khoảng MHz kênh truyền kênh truyền fading phẳng Ta xét tiếp định lượng thông số kênh truyền Tán xạ Phản xạ LOS N ux ễ i h # L Hình 2.5 Tín hiệu tới phía thu theo L đường Tín hiệu máy thu tổng thành phần tín hiệu đến từ L đường hình 2.5 (chưa tính đến nhiễu) có dạng : L y(t) = ∑ α i x(t − τ i ) (2.1) i =1 Với α i = α i (t )∠φi (t ) hệ số suy hao biên độ xoay pha τ i = τ i (t ) thời gian trễ có giá trị thực Phụ lục HVTH: Đặng Ngọc Hạnh Thiết kế mã cho truyền thông liên tác THD: PGS.TS Lê Tiến Thường Tổng quát tín hiệu tới máy thu có dạng sau +∞ y (t ) = ∫ x(t − τ ).h(t ,τ )dτ = x(t) * h(t,τ ) (2.2) −∞ Với h(t,τ ) đáp ứng xung thay đổi theo thời gian kênh truyền L h(t,τ ) = ∑ α i (t ).δ [τ − τ i (t )] (2.3) i =1 Từ (2.3) ta có đáp ứng hàm truyền thay đổi theo thời gian: +∞ H(t, f) = ∫ h(t,τ )e - j2πfτ dτ (2.4) -∞ Mỗi kênh truyền có đáp ứng xung, kênh truyền đặc trưng hàm tự tương quan ACF (AutoCorrelation Function): R h (t1 , t2 ,τ ,τ ) = E[h* (t1 ,τ ).h(t2 ,τ )] = E[h* (t1 ,τ ).h(t1 + Δt ,τ + Δτ )] (2.5) +∞ E[f(x)] = ∫ f ( x) p X ( x).dx ) (2.6) −∞ Hàm tự tương quan ACF phức tạp (theo biến t1, t2, τ 1, τ ) nên để đơn giản phân tích ta giả sử thành phần phản xạ dừng theo nghĩa rộng không tương quan WSSUS (Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter) WSS: trình dừng theo nghĩa rộng tức ACF phụ thuộc vào Δt = t2 − t1 US: thành phần phản xạ độc lập Khi q trình WSSUS ta có hàm tự tương quan ACF: R h (t1 , t1 + Δt ,τ ,τ + Δτ ) = R h (Δt ,τ ) = Ph (Δt ,τ ).δ (τ − τ ) (2.7) Với Ph (Δt ,τ ) mật độ phổ công suất chéo trễ (Delay Cross PDF) Khi Δt = 0, Ph (τ ) = Ph (Δt ,τ ) gọi profile trễ công suất (Power Delay Profile hay Multipath Delay Profile hay Multipath Intensity Profile), mô tả công suất trung Phụ lục HVTH: Đặng Ngọc Hạnh Thiết kế mã cho truyền thơng liên tác THD: PGS.TS Lê Tiến Thường bình tín hiệu sau qua kênh truyền Do cơng suất tín hiệu tính theo cơng thức +∞ P = ∫ PH (τ )dτ (2.8) -∞ Lấy biến đổi Fourier (2.7) ta được: +∞ R H (Δt , Δf ) = ∫ R h (Δt ,τ )e − j 2πΔfτ dτ (2.9) -∞ Ta dùng công thức để phân loại kênh truyền chọn lọc tần số (Frequency Selective fading) hay kênh truyền phẳng (Frequency Nonselective Fading), kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading) hay biến đổi chậm (slow fading) Nếu Δt = ta có hàm tương quan ACF phân tán theo tần số, mô tả tương quan khoảng tần số Δf kênh truyền +∞ R H (Δf ) = R H (0, Δf ) = ∫ R h (τ )e − j 2πΔfτ dτ (2.10) -∞ Mọi kênh truyền có khoảng tần số (Δf ) C , tỉ số RH (Δf ) xấp xỉ Tức RH (0) đáp ứng kênh truyền xem phẳng khoảng (Δf ) C Khoảng tần số gọi Coherence bandwith Nếu kênh truyền có (Δf ) C nhỏ nhiều so với băng thơng tín hiệu truyền, kênh truyền gọi kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective channel) Tín hiệu truyền qua kênh truyền bị méo nghiêm trọng Nếu kênh truyền có (Δf ) C lớn nhiều so với băng thơng tín hiệu truyền, kênh truyền gọi kênh truyền không chọn lọc tần số (frequency nonselective channel) hay kênh truyền phẳng (flat channel) Tương tự Coherence bandwith, hai thông số quan trọng thường dùng xét kênh truyền có chọn lọc tần số hay khơng người ta thường xét tới thời gian trễ Phụ lục HVTH: Đặng Ngọc Hạnh Thiết kế mã cho truyền thông liên tác THD: PGS.TS Lê Tiến Thường giới hạn trung bình TAEX (Average Excess delay) thời gian trải trễ hiệu dụng τ RMS (RMS delay spread) kênh truyền: L T AEX = ∑τ k =1 L k Pk (2.11) ∑P k =1 k L τ RMS = ∑ (τ k =1 k − T AEX ) Pk ∑P k =1 Với (2.12) L k Tk thời gian trễ thứ k Pk công suất thứ k Thông thường kênh truyền chọn lọc tần số τ RMS so sánh với Tsymbol c Kênh truyền biến đổi nhanh kênh truyền biến đổi chậm Kênh truyền vô tuyến có đáp ứng tần số khơng đổi theo thời gian cấu trúc kênh truyền không đổi theo thời gian Tuy nhiên kênh truyền biến đổi theo thời gian, vật thể tạo nên kênh truyền ln ln biến đổi, ln có vật thể xuất vật thể cũ đi, xe cộ ln thay đổi vận tốc, nhà cửa, cơng viên, xây dựng thêm hay bị phá hủy đi… Hình 1.1.6 cho thấy cơng suất tín hiệu thu thay đổi theo thời gian dù tín hiệu phát có cơng suất khơng đổi tức kênh truyền thay đổi theo thời gian Hình 2.6 Kênh truyền thay đổi theo thời gian Phụ lục HVTH: Đặng Ngọc Hạnh Thiết kế mã cho truyền thông liên tác THD: PGS.TS Lê Tiến Thường Khái niệm kênh truyền chọn lọc thời gian hay không chọn lọc thời gian mang tính tương đối, kênh truyền khơng thay đổi khoảng thời gian truyền kí tự Tsymbol , kênh truyền gọi kênh truyền khơng chọn lọc thời gian (time nonselective fading channel) hay kênh truyền biến đổi chậm (slow fading channel), ngược lại kênh truyền biến đổi khoảng thời gian Tsymbol , kênh truyền gọi kênh truyền chọn lọc thời gian (time selective fading channel), hay kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading channel) Môi trường nhà (indoor) thay đổi nên xem slow fading, mơi trường ngồi trời thường xun thay đổi nên xem fast fading Trong cell di động, thuê bao MS (mobile station) di chuyển, liên tục làm thay đổi vị trí MS trạm gốc BS (base station) theo thời gian, tức địa hình liên tục thay đổi Điều có nghĩa kênh truyền ta liên tục thay đổi theo thời gian gây hiệu ứng Doppler làm dịch tần sóng mang máy phát máy thu lượng tần số Δf = ± f Với v c (2.13) f tần số máy phát v vận tốc thuê bao MS c vận tốc ánh sáng MS di chuyển nhanh Δf lớn ngược lại Sau ta xét kĩ thông số xác định kênh truyền slow fading hay fast fading Từ (3.109), Δf = ta có hàm tương quan ACF phân tán theo thời gian, mô tả tương quan khoảng thời gian Δt kênh truyền +∞ R H (Δt ) = ∫ R h (Δt ,τ )dt (2.14) -∞ Phổ công suất Doppler định nghĩa biến đổi Fourier R H (Δt ) : +∞ +∞ D H (f) = ∫ R H (Δt )e − j 2πfΔt dΔt ⇔ R H (Δt ) = ∫ D H (f)e + j 2πfΔt df -∞ Phụ lục (2.15) -∞ HVTH: Đặng Ngọc Hạnh Thiết kế mã cho truyền thông liên tác THD: PGS.TS Lê Tiến Thường Mọi kênh truyền có khoảng thời gian (Δt) C , RH (Δt ) xấp xỉ Tức RH (0) đáp ứng kênh truyền xem biến đổi không đáng kể khoảng (Δt) C Khoảng thời gian gọi Coherence time Nếu kênh truyền có (Δt) C nhỏ nhiều so với chiều dài ký tự Tsymbol tín hiệu truyền, kênh truyền gọi kênh truyền chọn lọc thời gian (time selective channel) hay kênh truỵền nhanh (fast channel) Nếu kênh truyền có (Δt) C lớn nhiều so với chiều dài ký tự Tsymbol tín hiệu truyền, kênh truyền gọi kênh truyền không chọn lọc thời gian (time nonselective channel) hay kênh truyền chậm (slow channel) d Các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền vô tuyến Sự suy hao Sự suy hao suy giảm biên độ lượng tín hiệu suốt q trình truyền từ bên phát đến nơi thu hấp thụ tán xạ ánh sáng Hiện tượng tăng truyền tín hiệu khoảng cách xa Sự suy hao tỉ lệ với tần số Tần số cao suy hao nhiều Qua tác động suy hao, ta thấy có vài thơng số cần xem xét kĩ bên phát bên thu để đảm bảo khả lặp thu tín hiệu mong muốn phát Do bên phát cần phải gởi tín hiệu với biên độ đủ lớn để sau trình truyền bị suy hao, nơi thu phát giải mã tín hiệu Với khoảng cách dài, thiết phải có lặp để khuyếch đại tín hiệu, bù đắp lượng suy hao tín hiệu q trình truyền sóng Nhiễu Nhiễu tín hiệu khơng mong muốn mà nơi thu thu Đây nguyên nhân làm giảm chất lượng tín hiệu làm giảm suất hệ thống Có nhiều loại nhiễu khác như: ƒ Nhiễu nhiệt: gây chuyển động hạt điện tử Nhiễu nhiệt loại nhiễu phổ biến tránh khỏi hệ thống truyền tin chúng xuất tất thiết bị điện tử Nhiễu nhiệt có phổ trải dài tồn trục tần số, nên gọi nhiễu trắng Phụ lục HVTH: Đặng Ngọc Hạnh Thiết kế mã cho truyền thông liên tác THD: PGS.TS Lê Tiến Thường ƒ Nhiễu điều biến: kết tín hiệu tần số khác đưuọc truyền kênh truyền Khi tín hiệu sau điều biến tổng tín hiệu điều chế có tần số khác với tín hiệu gốc ban đầu ƒ Nhiễu xuyên kênh: nhiễu xun kênh xuất tín hiệu khơng mong muốn thu lẫn anten ƒ Nhiễu xung: tồn xung có độ rộng xung ngắn miền thời gian với biên độ cao Các xung thường bị gây xáo trộn trường điện từ ánh sáng Phụ lục HVTH: Đặng Ngọc Hạnh Thiết kế mã cho truyền thông liên tác THD: PGS.TS Lê Tiến Thường Hiệu ứng đa đường Nhiễu đa đường kết hợp phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…của tín hiệu kênh truyền vơ tuyến Các tín hiệu truyền theo đường khác tín hiêu phát bị suy hao biên độ bị trễ so với tín hiệu dược truyền thẳng Tín hiệu thu máy thu tổng thành phần này, tín hiệu phức tạp biên độ pha có nhiều thay đổi so với tín hiệu ban đầu Hình 2.7 Hiệu ứng đa đường Hiệu ứng Doppler Gây sụ chuyển động tương đối máy thu máy phát di chuyển đối tượng kênh truyền vô tuyến Khi chuyển động tương đối nhanh tần số Doppler lớn, đó, tốc độ thay đổi kênh truyền nhanh Hiệu ứng gọi Fading nhanh (fast fading) Giả sử máy thu máy phát dịch chuyển tương với vận tốc v, tần số tín hiệu bị dịch lượng fd = vf c cosθ c (2.16) với fd lượng dịch tần Doppler, fc tần số tín hiệu, c tốc độ ánh sáng θ góc tới tín hiệu hướng chuyển động máy thu so với máy phát 3.3.3 Kênh nhiễu AWGN Phụ lục HVTH: Đặng Ngọc Hạnh Thiết kế mã cho truyền thông liên tác THD: PGS.TS Lê Tiến Thường Kênh AWGN (Additive White Gaussian Noise) cịn gọi kênh nhiễu trắng nhiễu có biên độ phân phối theo phân bố xác suất chuẩn (Normal distribution) với trung bình (Mean) 0, phương sai (Variance) σ Ta biết rằng, σ cơng suất nhiễu AWGN Cơng suất nhiễu AWGN: σ2 = No (2.17) Với No mật độ phổ cơng suất phía nhiễu trắng Để đơn giản q trình mơ tính tốn, ta thưc trình điều chế theo BPSK Do đó, bit điều chế thành bit 1, bit giữ nguyên giá trị Ta thu lượng bit Eb=1 Khi đó, tỉ số lượng nhiễu Eb/N0 thành Eb 1 = = N o N o 2σ (2.18) Tương đương với σ= E b N0 (2.19) Biểu diễn Eb/N0 dạng dB, phương trình (2.19) trở thành σ= × 10 ⎛ Eb ⎞ ⎜ ⎟ ( dB ) /10 ⎝ No ⎠ (2.20) Cơng thức phương trình (2.20) sử dụng để tính độ lệch chuẩn AWGN từ giá trị cho trước Eb/N0 3.3.4 Kênh Fading Rayleigh Fading Rayleigh mơ hình thống kê ảnh hưởng mơi trường truyền tỉ số tín hiệu Cho rằng, cơng suất tín hiệu gởi qua mơi trường truyền (cịn gọi kênh thơng tin) thay đổi cách ngẫu nhiên theo phân phối Rayleigh Phụ lục HVTH: Đặng Ngọc Hạnh Thiết kế mã cho truyền thông liên tác THD: PGS.TS Lê Tiến Thường Mô hình kênh truyền sử dụng phổ biến thơng tin vơ tuyến mơ hình kênh truyền Fading Rayleigh Trong mơ hình này, đường bao đáp ứng xung kênh truyền, kí hiệu R tuân theo phân phối xác suất Rayleigh Pha Ψ đáp ứng xung kênh truyền phân phối khoảng r ⎧ r ⎪ exp(− ) [-π ,π ] f R (r ) = ⎨σ 2σ ⎪⎩0 others ⎧ ⎪ fψ (ψ ) = ⎨ 2π ⎪⎩0 -π ≤ ψ ≤ π r≥0 (2.21) (2.22) others Trong đó, σ tham số phân phối Rayleigh Giá trị trung bình phương sai biến ngẫu nhiên có phân bố Rayleigh mx = π ×σ π⎞ ⎛ σ = ⎜ − ⎟ ×σ 2⎠ ⎝ (2.23) x Phụ lục HVTH: Đặng Ngọc Hạnh Thiết kế mã cho truyền thông liên tác THD: PGS.TS Lê Tiến Thường Giao diện mơ Bao gồm giao diện hai giao diện Một giao diện dùng để mô tỉ lệ lỗi bit BER tỉ lệ lỗi khung FER mã LDPC theo chiều dài mã (M,N) số lần lặp giải mã Giao diện cịn lại giao diện mơ giao thức giải mãchuyển tiến DF sử dụng mã LDPC Mô thực để tỉ lệ lỗi bit BER với chiều dài mã LDPC khác theo vị trí chuyển tiếp d Giao diện mơ cịn giúp theo dõi tín hiệu qua q trình mã hố giải mã hai mode BC MAC, giúp hiểu rõ hoạt động hệ thống 3.1 Giao diện Phụ lục HVTH: Đặng Ngọc Hạnh Thiết kế mã cho truyền thông liên tác THD: PGS.TS Lê Tiến Thường 3.2 Giao diện mô mã LDPC 3.3 Giao diện mô giao thức giải mã-chuyển tiến DF Phụ lục HVTH: Đặng Ngọc Hạnh Lý lịch khoa học Họ tên : Đặng Ngọc Hạnh Ngày sinh : 17/05/1984 Nơi sinh : Tp HCM MSHV : 01407673 Phone : 098 5880 640 Email : hanhdn@hcmut.edu.vn dnhanh@gmail.com Quá trình đào tạo: Đại học: Chế độ : Chính Quy Thời gian : Từ 2002 đến 2007 Nơi học : Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Ngành học : Điện tử-Viễn thơng Sau đại học: Chế độ : Chính Quy Thời gian : Từ 2007 đến 2009 Nơi học : Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Ngành học : Kỹ thuật điện tử Q trình cơng tác: Từ 3/2007 đến 12/2008: Kỹ sư phần mềm, Công ty tư vấn Khoa học máy tính, CSC Việt Nam Từ 12/2008 đến nay: Cán giảng dạy, Bộ môn Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh ... Hạnh Thiết kế mã cho truyền thông liên tác THD: PGS.TS Lê Tiến Thường Chương THIẾT KẾ BỘ Mà CHO TRUYỀN THÔNG LIÊN TÁC 71 5.1 Thiết kế mã LDPC cho chuyển tiếp DF .71 5.1.1 Thiết kế mã LDPC... khơng hợp tác Hình 2.7 Hợp tác mã Chương 2: Truyền thông liên tác 20 HVTH: Đặng Ngọc Hạnh Thiết kế mã cho truyền thông liên tác THD: PGS.TS Lê Tiến Thường c Hợp tác mã Trong hợp tác mã, liệu người... Thiết kế mã cho truyền thơng liên tác THD: PGS.TS Lê Tiến Thường Hình 2.6 Các phương pháp chuyển tiếp Chương 2: Truyền thông liên tác 19 HVTH: Đặng Ngọc Hạnh Thiết kế mã cho truyền thông liên tác