NGHIÊN cứu GIẢI PHÁP THIẾT kế VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÃ KÊNH CHO hệ THỐNG THÔNG TIN HAP tt

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 Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thơng Mã số: 9.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Cơng trình hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Nhật Thăng PGS.TS Nguyễn Thúy Anh Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG vào hồi: Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia Việt Nam Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ BÀI BÁO KHOA HỌC [J1] [J2] [J3] Hien Nguyen Thu, Hung Nguyen Viet, Thang Le Nhat, Channel capacity for High Altitude Platform stations employing coherent detection, Tạp chí nghiên cứu khoa học công nghệ Quân sự, Số 46, 12/2016, tr 36-42 Nguyen Thu Hien, Nguyen Viet Hung, Vu Van San, Le Nhat Thang, Design of a near-capacity channel code for High Altitude Platform systems, Tạp chí nghiên cứu khoa học công nghệ Quân sự, Số 52, 12/2017, tr 52-59 Hien Thi Thu Nguyen, Hung Viet Nguyen, Thang Nhat Le, Performance Upper Bounds of High Altitude Platform Systems over a Two-State Switched Channel, International Journal of Applied Engineering Research, ISSN 0973-4562, Volume 13, Number 18 (2018), pp 13932-13939 HỘI NGHỊ KHOA HỌC [C1] Hien Thi Thu Nguyen, Hung Viet Nguyen, Thang Nhat Le, Design of NearCapacity Channel Codes for High Altitude Platform Systems over a Two-State Switched Channel Model, Hội nghị quốc gia lần thứ 21 Điện tử, Truyền thơng CNTT (REV-ECIT), 2018 CÁC CƠNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN [J1] Nguyễn Thu Hiên, Lê Nhật Thăng, Vũ Thúy Hà, Phân tích hiệu mã kênh sử dụng kỹ thuật đường biên, Tạp chí CNTT&TT – số chuyên san Đại học Thái Nguyên, Tập 116, số 02, 2014, tr 51-56 [J2] Nguyễn Thu Hiên, Lê Nhật Thăng, Nguyễn Thúy Anh, Nghiên cứu ứng dụng biểu đồ EXIT phân tích thiết kế hệ thống giải mã lặp, Tạp chí nghiên cứu khoa học cơng nghệ Quân sự, Số 41, 10/2015, tr 50-56 [J3] Nguyen Thu Hien, Vu Van San, Nguyen Viet Hung, Channel capacity of High Altitude Platform systems: A Case Study, Jounal of Information and Communication: Ministry of Information and Communications, Vol E-3, No 14, p 54–60, 2017 [J4] Nguyen Thu Hien, Vu Van San, Nguyen Viet Hung, Channel capacity for High Altitude Platform Systems employing non-coherent detection, Jounal of Science and Technology: Technical Universities , No 121/2017, p 41-47 MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực thông tin vô tuyến nay, ngồi hai đại diện có ưu định thông tin vô tuyến mặt đất thơng tin vệ tinh, năm gần giải pháp thông tin vô tuyến thu hút quan tâm nhiều nước, nhiều tổ chức giới việc thiết kế, phát triển triển khai thử nghiệm là: giải pháp thông tin sử dụng thiết bị bay Trong giải pháp thông tin này, thiết bị bay (máy bay không người lái, máy bay nhỏ tàu bay) sử dụng cho nhiều mục đích ứng dụng khác bao gồm thông tin quân sự, theo dõi, giám sát, viễn thông, cung cấp vật tư y tế hoạt động cứu hộ Tùy thuộc vào độ cao hoạt động mà thiết bị bay hạ tầng không tầm cao (HAP) hay hạ tầng không tầm thấp (LAP) Các HAP thường hoạt động không độ cao 17 km (độ cao tầng bình lưu) gần cố định Còn LAP thường hoạt động không độ cao vài km, di chuyển nhanh triển khai linh hoạt Khi triển khai vận hành cách, HAP giải pháp thông tin vô tuyến hiệu đáng tin cậy cho nhiều ứng dụng thực tế Cụ thể, HAP sử dụng để thay trạm gốc không cung cấp thông tin liên lạc vơ tuyến Mặt khác, HAP hoạt động thiết bị người dùng không (UE), gọi HAP di động, tồn với thiết bị thu phát mặt đất Hơn nữa, với độ cao điều chỉnh, HAP cho phép thiết lập hiệu đường truyền tín hiệu trực tiếp (LOS), giảm thiểu suy hao che khuất tín hiệu Với lợi vậy, giải pháp thông tin HAP tạo hội sử dụng ứng dụng thông tin với giá thành hợp lý, thu hẹp khoảng cách phát triển viễn thông nước phát triển nước phát triển, đóng góp vào phát triển cách mạng công nghiệp 4.0 Cũng hệ thống thông tin vô tuyến, hệ thống thông tin HAP vô tuyến (gọi tắt hệ thống HAP) chịu ảnh hưởng môi trường truyền lan vơ tuyến làm cho đặc tính kênh truyền tín hiệu chịu ảnh hưởng tượng pha-đinh, đặc biệt tượng pha-đinh đa đường, hoạt động dải băng tần Ka Để giảm thiểu ảnh hưởng pha-đinh đa đường, giải pháp hiệu bền vững sử dụng mã kênh Chính vậy, hệ thống HAP, số loại mã kênh mã chập liên kết song song (PCCC), mã chập liên kết nối tiếp (SCCC), mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC), mã chập liên kết nối tiếp với mã Reed Solomon, đề xuất sử dụng Tuy nhiên, nghiên cứu mã kênh cho hệ thống HAP tập trung vào việc đánh giá hiệu mã kênh qua tham số tỷ số lỗi bit (BER) tỷ số lỗi khung (FER) mà khơng có đánh giá hiệu tiếp cận dung lượng kênh Trong đó, hiệu tiếp cận dung lượng kênh lại xem tiêu chí thiết kế đánh giá hiệu mã kênh hệ thống thơng tin Chính vậy, đề tài “Nghiên cứu giải pháp thiết kế đánh giá hiệu mã kênh cho hệ thống thông tin HAP” hướng nghiên cứu có tính thời có ý nghĩa khoa học sâu sắc Từ khảo sát phân tích trên, mục tiêu nghiên cứu luận án nghiên cứu thiết kế mã kênh tiếp cận dung lượng kênh cho hệ thống HAP qua số mơ hình kênh truyền HAP điển hình Từ xây dựng mơ hình giải tích để đánh giá hiệu mã kênh tiếp cận dung lượng kênh Để đạt mục tiêu nêu trên, nhiệm vụ cụ thể cần phải giải bao gồm: (1) nghiên cứu thiết lập đường biên dung lượng kênh hệ thống HAP qua ba mơ hình kênh HAP điển hình; (2) nghiên cứu đề xuất thiết kế mã kênh tiếp cận dung lượng kênh cho hệ thống HAP; (3) nghiên cứu xây dựng mơ hình giải tích xác định đường biên xác suất lỗi để đánh giá hiệu mã kênh sử dụng cho hệ thống HAP Từ nhiệm vụ nghiên cứu trên, phương pháp nghiên cứu luận án nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô Cụ thể là, phương pháp nghiên cứu lý thuyết sử dụng cho nghiên cứu nguyên lý hoạt động phần tử hệ thống HAP Phương pháp tính tốn số kết hợp với công cụ phần mềm mô sử dụng để việc thiết lập đường biên dung lượng kênh, thiết kế mã kênh tiếp cận dung lượng kênh xây dựng mơ hình giải tích đánh giá hiệu mã kênh cho hệ thống HAP Cuối nhận xét, đánh giá dựa kết đạt được, đưa khuyến nghị Luận án bố cục thành bốn chương với nội dung sau: Chương 1.Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương Dung lượng kênh hệ thống HAP Chương Thiết kế mã kênh tiếp cận dung lượng cho hệ thống HAP Chương Xây dựng mơ hình giải tích xác định đường biên xác suất lỗi cho hệ thống HAP CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 HẠ TẦNG TRÊN KHÔNG TẦM CAO 1.1.1 Giới thiệu chung Theo tổ chức vô tuyến giới, HAP định nghĩa sau: “HAP trạm đặt vật thể độ cao từ 20 km đến 50 km điểm cố định, danh định, xác định tương đối so với trái đất” Các dịch vụ viễn thông cung cấp hệ thống HAP bao gồm dịch vụ băng rộng, dịch vụ khẩn cấp dịch vụ truyền hình Ngồi ra, HAP cung cấp tốt dịch vụ có sẵn hai hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất vệ tinh Hình 1.1 thể kịch kết nối hệ thống HAP với hạ tầng viễn thơng có vệ tinh, trạm gốc, trạm mặt đất,… kết nối liên HAP, để cung cấp dịch vụ viễn thơng Vệ tinh Hình 1 Hệ thống HAP triển khai độ cao 17~22km HAP HAP khác Trạm mặt đất 17-22 Km Mạng cố định Người sử dụng Các ô Vùng phủ HAPS 200 Km Trong năm gần đây, số dự án nghiên cứu triển khai hệ thống HAP tiêu biểu kể đến như: dự án Sky Station Bắc Mỹ, dự án HALO-Proteus Tập đồn Cơng nghệ Thiên thần Hoa Kỳ, Dự án CAPANINA Ủy ban Liên minh châu Âu, dự án Project Loon Google dự án máy bay không người lái phát Internet Facebook, Để ứng dụng triển khai hệ thống HAP thành công thực tế, số thách thức quan trọng hệ thống HAP vị trí thơng tin tối ưu, thời gian bay, vấn đề bảo mật, can nhiễu, kết nối với hạ tầng viễn thơng có, lượng hoạt động, cần phải giải Đặc biệt việc đảm bảo thông tin tin cậy HAP thiết bị thu phát mặt đất Trong điều phụ thuộc nhiều vào ảnh hưởng tượng phađinh (đặc biệt pha-đinh đa đường): liên quan đến môi trường truyền sóng, vị trí thiết bị mặt đất (góc ngẩng) Do vậy, thiết kế hệ thống thông tin dựa HAP, cần có giải pháp đánh giá tác động tham số thiết kế như: tỷ số tín hiệu tạp âm, phương thức điều chế, mức điều chế, mã kênh sử dụng, tỷ lệ mã, … đến chất lượng hệ thống tỷ số lỗi bit (BER), tỷ số lỗi khung (FER), 1.2 MÃ HÓA KÊNH Như bàn luận phần 1.1, ảnh hưởng suy giảm chất lượng tín hiệu thu kênh truyền HAP chất lượng hệ thống HAP tượng pha-đinh đa đường Để giải tượng này, số giải pháp kỹ thuật kể đến như: điều khiển công suất, phân tập, phương pháp điều chế mã hóa thích ứng,… Trong số đó, giải pháp kỹ thuật truyền thống linh hoạt bền vững thường sử dụng giải pháp sử dụng mã kênh theo chế sửa lỗi hướng (FEC) Mã kênh chế mã hóa kênh khơng cần có đặc tính mạnh khả phát sửa lỗi, mà chúng phải đảm bảo hiệu tiếp cận dung lượng kênh Các mã kênh theo chế FEC bao gồm mã dạng sóng mã chuỗi có cấu trúc Mã chuỗi có cấu trúc chia thành ba loại: mã khối, mã chập mã liên kết Trong đó, mã liên kết, xây dựng từ mã khối và/hoặc mã chập, sử dụng giải mã lặp, cho phép tạo mã có xác suất lỗi giảm theo hàm mũ tốc độ nhỏ dung lượng kênh, độ phức tạp tăng cấp đại số Mã Turbo mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) mã cho hiệu tiếp cận dung lượng kênh Từ đó, mã liên kết khác đề xuất mã chập liên kết song song (PCCC) , mã chập liên kết nối tiếp (SCCC) cho thấy độ lợi mã hóa tương tự Những mã có hai đặc điểm chung là: (1) sử dụng đan xen (bộ ngẫu nhiên) cấu trúc mã; (2) sử dụng kỹ thuật giải mã lặp đầu vào mềm - đầu mềm (SISO) cho hiệu BER gần với hiệu BER giải mã tối ưu Tuy nhiên, SCCC cho hiệu BER tốt so với PCCC vùng SNR lớn tượng sàn lỗi thấp hơn, khoảng cách tự (dfree) SCCC lớn so với PCCC Để đạt hiệu tiếp cận dung lượng kênh, mã chập không (IrCC) đề xuất sử dụng cấu trúc SCCC 1.3 CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÃ KÊNH - Tỷ số tín hiệu tạp âm (SNR) Tỷ số lượng bit mật độ tạp âm (Eb/N0) Tỷ số lỗi bit (BER) Tỷ số lỗi khung (FER) Độ lợi mã hóa (Gc) Tiếp cận dung lượng kênh (dDCMC) 1.4 CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN, NHẬN XÉT VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 1.4.1 Các cơng trình nghiên cứu liên quan nhận xét 1.4.2 Hướng nghiên cứu luận án 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Nội dung chương thể khái quát hệ thống HAP vai trị mã hóa kênh nhằm bật đặc tính riêng biệt đối tượng quan tâm nghiên cứu Những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống HAP cho thấy hướng tiếp cận mã hóa kênh hướng triển vọng giải pháp thông tin dựa hệ thống HAP Đồng thời, qua khảo sát nghiên cứu trước cho thấy chưa có nghiên cứu mã kênh sử dụng hệ thống HAP bàn luận đến hiệu tiếp cận dung lượng kênh Vì vậy, mục tiêu hướng đến luận án: nghiên cứu giải pháp thiết kế mã kênh tiếp cận dung lượng kênh đánh giá hiệu mã kênh sử dụng cho hệ thống HAP Nhìn chung, nội dung trình bày chương tạo tảng lý thuyết cho nội dung nghiên cứu chương luận án CHƯƠNG 2: DUNG LƯỢNG KÊNH CỦA HỆ THỐNG HAP 2.1 MƠ HÌNH KÊNH HAP Q trình thu phát tín hiệu HAP với thiết bị mặt đất chịu ảnh hưởng pha-đinh đa đường Thông thường, ảnh hưởng thường đưa phân bố thống kê Vì vậy, mơ hình thống kê kênh HAP phân chia thành hai loại là: mơ hình kênh thống kê đơn mơ hình kênh thống kê hỗn hợp Trong mơ hình kênh thống kê đơn, kênh đặc tính hóa phân bố thống kê đơn, cịn mơ hình kênh thống kê hỗn hợp đề cập đến việc kết hợp (tổng có trọng số) vài phân bố thống kê Ngồi ra, phương pháp tiếp cận mơ hình kênh HAP phân loại theo mối quan hệ băng thông truyền dẫn băng thông kênh truyền băng hẹp băng rộng Trong đó, mơ hình kênh HAP băng hẹp đề cập đến tượng pha-đinh phẳng, cịn mơ hình kênh HAP băng rộng quan tâm đến tượng kênh có tính chất chọn lọc tần số Sự thăng giáng ngẫu nhiên đường bao tín hiệu kênh HAP băng hẹp đưa hai kiểu pha-đinh là: pha-đinh đa đường pha-đinh che khuất Trong đó, pha đinh che khuất chia thành pha-đinh che khuất đường tín hiệu trực tiếp (LOS) pha-đinh che khuất kép gây biến động ngẫu nhiên công suất tổng thành phần đa đường Kênh HAP pha-đinh đa đường kênh chịu ảnh hưởng pha-đinh đa đường gây thành phần tán xạ qua đường tín hiệu gián tiếp (NLOS) với thành phần LOS khơng bị che khuất Do đường bao tín hiệu biến ngẫu nhiên phân bố Rice, với đại lượng đặc trưng hệ số Rice K Hệ số có phụ thuộc vào góc ngẩng  : K   Vì vậy: - Khi   900  K     : phân bố Gauss - Khi   12 ,900  : phân bố Rice - Khi   120  K    : phân bố Rayleigh Ngoài để mơ tả đặc tính động kênh, mơ hình kênh HAP chuyển mạch trạng thái nghiên cứu như: kênh HAP chuyển mạch hai trạng thái (tốt: G xấu: B) ba trạng thái,… 2.2 DUNG LƯỢNG KÊNH CỦA HỆ THỐNG HAP 2.2.1 Dung lượng kênh không nhớ đầu vào rời rạc - đầu liên tục Nền tảng lý thuyết thông tin cho thông tin vô tuyến thiết lập Shannon, người đưa giới hạn truyền dẫn thông tin tin cậy Lý thuyết Shannon đưa khái niệm dung lượng kênh, C, tham số hiệu thiết lập giới hạn lượng thông tin lớn truyền dẫn tin cậy qua kênh với xác suất lỗi nhỏ Tham số dung lượng kênh cho phép xác định tốc độ truyền tối đa kênh mà độ tin cậy (ở xác suất lỗi bit nhỏ tùy ý) đảm bảo Vì vậy, nhiều nghiên cứu mã hóa kênh chủ yếu tập trung vào việc tìm mã kênh tốt theo hướng tiếp cận gần với dung lượng Shannon tốt mã turbo mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) Chính vậy, nghiên cứu dung lượng kênh hệ thống HAP sử dụng chế điều chế tách sóng quán đó, ngồi việc giúp đánh giá cân đối dung lượng kênh với độ phức tạp yêu cầu thu, tạo sở quan trọng việc thiết kế đánh giá hiệu tiếp cận dung lượng kênh mã kênh cho hệ thống HAP Hơn nữa, nghiên cứu mã kênh hệ thống thông tin số, số khối chức (như điều chế giải điều chế) gộp thành khối chung tạo thành mơ hình kênh kết hợp Khi mơ hình kênh kết hợp có đầu vào rời rạc, đầu liên tục, xác suất chuyển dịch liên quan đầu vào đầu có tính chất khơng nhớ kênh gọi kênh không nhớ đầu vào rời rạc, đầu liên tục (DCMC) Vì vậy, kênh DCMC dung lượng DCMC nghiên cứu luận án Với mơ hình DCMC, dung lượng DCMC (CDCMC) xác định sau: CDCMC  log  M   M M M   E log    exp  m,i   m 1 i 1    BPS (2.1) đó, M số mức điều chế phương thức điều chế sử dụng,  m,i xác định là: N  m,i    y j  axij    y j  axmj  j 1 N0 N  j 1   a  xmj  xij   n j   n2j (2.2) N0 cho tín hiệu thu phía thu là: y  axm  n Hình 2.1 Dung lượng DCMC hệ thống HAP qua kênh HAP pha-đinh Rice,   450 (K=10 dB) Luận án đạt kết dung lượng DCMC hệ thống HAP qua kênh HAP pha-đinh Rice, Rayleigh, chuyển mạch hai trạng thái Trong đó, hình 2.1 số kết cho trường hợp kênh HAP pha-đinh Rice (K=10 dB), góc ngẩng   450 Qua cho thấy, sử dụng chế điều chế khác cho CDCMC khác nhau, cụ thể SNR=20 dB, CDCMC tương ứng với M=1,2, 3, 1; 2; 2,9; 3,8 [BPS] Tuy nhiên, M tăng xác suất lỗi bit tăng Hơn nữa, với CDCMC, M khác yêu cầu SNR khác 2.2.2 Xác suất tới hạn Hình 2 Xác suất tới hạn (Pout) DCMC hệ thống HAP qua kênh HAP pha-đinh Rice,   450 (K=10dB) Xác suất tới hạn Pout   định nghĩa xác suất xảy kiện a   SNR  SNRr R   , Pout   biểu diễn sau: 10 mã hóa, có giá trị 1 ; La Le tương ứng chuỗi đầu vào/đầu tỷ lệ hợp lệ logarit (LLR) tiền nghiệm/hậu nghiệm giải mã SISO Khi đó, áp dụng (3.2), thơng tin tương hỗ X La là: I A = I  X; La  ,  I A  1, thông tin tương hỗ X Le I E  I  X; Le  xác định Đường cong biểu diễn quan hệ IE I A gọi đường cong EXIT mã 3.2 ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG MÃ CHẬP KHÔNG ĐỀU TRONG HỆ THỐNG HAP Xét mã chập liên kết nối tiếp (SCCC) sử dụng dự án CAPANINA Ủy ban Liên minh châu Âu thể hình 3.2 Trong đó, L(.) biểu thị tỷ lệ hợp lệ logarit (LLR) bit liên quan, với số thể cho mã hóa vịng ngồi, cịn số thể cho mã hóa vịng Các số a, p, e, De tương ứng thông tin tiền nghiệm, hậu nghiệm, ngoại lai giải điều chế HAP Hình Sơ đồ khối SCCC [11] u1 Bộ mã hóa ngồi CC(1,15/17) (1) c1 Bộ mã hóa tỷ lệ đơn vị CC(2/3) (2) u2 1 d Bộ điều chế (MOD) (3) x Bộ mã hóa uˆ1 Quyết định cứng Bộ giải mã L p ,1  u1  -1 CC 1,15 / 17  (1) Le ,1  c1   1 La ,2  u2  Lp ,1  c1  La ,1  c1  11   Le ,2  u2  Lp ,2  u2  Bộ giải mã mã tỷ lệ đơn vị CC 1  / 3 (2) LDe  d  Bộ giải điều chế (DEMOD) (3) y Kênh HAP Bộ giải mã Người dùng mặt đất Để khảo sát hiệu tiếp cận dung lượng kênh SCCC, luận án thiết lập biểu đồ EXIT thể mối quan hệ đường cong EXIT giải mã vịng giải mã vịng ngồi Trong đó, giải mã vịng giải mã vịng ngồi thực thuật tốn hậu nghiệm cực đại miền logarit (Log-MAP) để tạo thông tin LLR ngoại lai trao đổi lặp với tạo thành vòng lặp giải mã (J vòng lặp) 3.2.1 Đặc tính truyền đạt giải mã vịng Sơ đồ đánh giá đặc tính truyền đạt giải mã vịng thể hình 3.3 Trong đó, mã hóa vịng mã hóa điều chế bit đầu vào u2 thành tín hiệu phát x, đầu vào giải mã vòng đầu y kênh truyền HAP thông tin tiền nghiệm La,2  u2  Bộ giải mã vòng thực giải mã cho thông tin hậu nghiệm Lp,2  u2  Thông tin ngoại lai Le,2  u2   Lp ,2  u2   La ,2  u2  sử dụng để tính I E,2  u2  11 Nguồn nhị phân Hình 3 Sơ đồ đánh giá đặc tính truyền đạt giải mã vịng u2 x Bộ mã hóa Kênh  n  SNR  Thiết lập I A,2  u2   a  J 1  I A,2  La ,2   a2 Tính I  u2 ; Le,2  u2   I E ,2  u2  La ,2  u2  u2  na Bộ giải mã hóa  Le,2  u2  L p ,2 y  u2  Khi đó, đường cong EXIT giải mã vịng biểu diễn quan hệ I E ,2  u2  I A,2  u2  giá trị SNR xác định: I E ,2  u2   T2  I A,2  u2  , SNR  (3.3) 3.2.2 Đặc tính truyền đạt giải mã vịng ngồi I A,1  c1   b  J 1  I A,1  c1 u1 La ,1  I E ,1  c1   b2 La ,1  c1  c1  nb  I  c1 ; Le,1  c1   Le,1  c1  L p ,1  c1  Hình Sơ đồ đánh giá đặc tính truyền đạt giải mã vịng ngồi Hình Biểu đồ EXIT chế mã hóa kênh [11] qua kênh HAP pha-đinh Rice (K=10 dB), điều chế QPSK, Rc=0,5 Tương tự, đặc tính truyền đạt giải mã vịng ngồi thể hình 3.4 Trong đó, mã hóa vịng ngồi mã hóa bit đầu vào u1 thành bit mã hóa c1 , đầu vào giải mã vịng ngồi thơng tin tiền nghiệm La ,1  c1  Bộ giải mã vịng ngồi thực giải mã cho thông tin hậu nghiệm L p,1  c1  Thông tin ngoại lai Le,1  c1   Lp ,1  c1   La ,1  c1  sử dụng để tính IE,1  c1  Như vậy, đường cong EXIT giải mã vòng thể quan hệ I E ,1  c1  I A ,1  c1  : I E ,1  c1   T1  I A,1  c1   Kết đường cong EXIT giải mã vòng giải mã vịng ngồi SCCC, tỷ lệ mã Rc=0,5, sử dụng điều chế QPSK, qua kênh HAP pha-đinh Rice (K=10 dB), thể hình 3.5 Qua 12 nhận thấy, với kích cỡ khung tin đủ lớn 14 vịng lặp giải mã, BER thấp đạt SNR=2,7 dB, cách đường biên dung lượng DCMC HAP sử dụng điều chế QPSK, tỷ lệ mã hóa Rc=0,5 (CDCMC= 0,48 dB) khoảng dDCMC_Rice=2,22 dB Đây khoảng cách lớn, mã Turbo cho hiệu tiếp cận dung lượng kênh – giới hạn dung lượng Shannon 0,7 dB Vì vậy, để nâng cao hiệu tiếp cận gần dung lượng kênh mã kênh sử dụng cho hệ thống HAP, luận án đề xuất sử dụng mã chập không (IrCC) mã hóa vịng ngồi mã SCCC dự án CAPANINA thiết kế mã IrCC cho hệ thống HAP 3.3 THIẾT KẾ MÃ KÊNH TIẾP CẬN DUNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG HAP 3.3.1 Cơ chế mã hóa IrCC-URC-MOD Xét chế mã hóa IrCC-URC-MOD thể hình 3.6 Trong đó, phía phát (trạm HAP), khung tin gồm N bit mã hóa mã hóa ngồi mã hóa mã chập khơng (IrCC) có tỉ lệ mã Rc, tạo khung đầu có độ dài N Rc bit Sau khung đan xen đan xen 1 trước đưa đến mã hóa mã hóa tỷ lệ đơn vị (URC) Khung đầu URC điều chế điều chế (MOD), tạo tín hiệu phát x truyền qua kênh HAP Ở phía thu, tín hiệu thu từ kênh HAP đưa đến giải điều chế (DEMOD), giải mã tỷ lệ đơn vị (URC-1) giải mã mã chập không (IrCC-1) Tại URC- IrCC-1 thực thuật toán hậu nghiệm cực đại miền logarit (Log-MAP) để tạo thông tin ngoại lai (tỷ lệ hợp lệ logarit – LLR) trao đổi lặp với tạo thành vịng lặp giải mã (J vịng lặp) HAP Hình Sơ đồ chế mã hóa IrCCURC-MOD cho hệ thống HAP u1 Bộ mã hóa ngồi (IrCC) (1) c1 Bộ mã hóa tỷ lệ đơn vị (URC) (2) u2 1 d Bộ điều chế (MOD) (3) x Bộ mã hóa uˆ1 Quyết định cứng Lp ,1  u1  Bộ giải mã  IrCC  -1 (1) Le,1  c1   1 La ,2  u  L p ,1  c1  La ,1  c1   1   Le,2  u2  Lp ,2 u2  Bộ giải mã mã tỷ lệ đơn vị  URC  1 (2) LM  d  Bộ giải điều chế (DEMOD) (3) y Kênh HAP Bộ giải mã Người dùng mặt đất 3.3.2 Mã chập không Mã chập không (IrCC) định nghĩa họ mã gồm nhiều mã chập thành phần Ck (  k  P  ), có tỷ lệ mã R k :  Rk  Các Ck xây dựng từ mã chập mẹ có tỷ lệ mã Rq Khi đó, q trình mã hóa giải mã IrCC q trình mã hóa giải mã mã chập thành phần thực lưới 13 mã chập mẹ Do vậy, việc sử dụng IrCC không làm tăng thêm độ phức tạp mã hóa giải mã Xét mã chập không gồm mã chập thành phần Ck, có tỷ lệ mã R k , giả thiết khoảng cách tỷ lệ mã Ck 0,05 Rk có 0,1; 0,15; 0,2; 0;25; …; 0,9, số lượng mã chập thành phần 17 Nếu khoảng cách tỷ lệ mã hóa Ck 0,1 Rk có 0,2; 0,3; …; 0,9, số lượng mã chập thành phần Vì vậy, tham số biểu diễn cho Ck sau: Rk ,  w0 , w1 ,  , lk ,  p , p1 ,  , đó, k  1, 2, 17, w j , j  0,1, 2,3 tần suất xuất g j ma trận sinh, lk chu kỳ đục lỗ p j mơ hình đục lỗ có liên quan tới g j (dạng bát phân) 3.3.3 Thiết kế mã IrCC cho hệ thống HAP Quá trình thiết kế mã IrCC cho hệ thống HAP thực sau: Bước 1: Áp dụng sơ đồ hình 3.4 để thiết lập 17 đường cong EXIT mã chập thành phần: I ECC  T1, k  I ACC  , có tỷ lệ mã Rk = 0,1; 0,15; 0,2; 0;25; …; 0,9 từ mã chập mẹ: CC(1,27/31), CC(1,15/17) Bước 2: Thiết kế mã IrCC tiếp cận dung lượng kênh Bài toán thiết kế mã IrCC tiếp cận dung lượng kênh cho hệ thống HAP toán xác định hệ số trọng lượng  k , k  1, ,8 / 17 tương ứng Ck thỏa mãn điều kiện (3.4) cho diện tích đường hầm EXIT đủ mở đường cong EXIT giải mã vòng (URC-MOD) đường cong EXIT IrCC nhỏ Trong đó, đường cong EXIT IrCC xác định bởi: P T1,IR    k T1, k , với P  17 (3.4) k 1  Bước 2.1: Thiết lập hàm truyền đạt giải mã vòng giá trị SNR xác định: I EURC -MOD  u   T2  I AURC -MOD  u  , SNR  (theo sơ đồ hình 3.3)  Bước 2.2: Xác định hàm truyền đạt giải mã vịng ngồi T1,IR hay I E IrCC  c1   T1,IR  I AIrCC  c1   cho e  T1,IR  T21 , điều kiện ràng buộc (3.5) sau: 1 e  với I A,2 ,  P  J 1 , , P    e  i  di     k T1,k  T21  di , e  i   0, i   0,1  0  k 1 (3.5) 14 Sử dụng thuật toán tối ưu theo phương pháp giảm bước, 17 giá trị (tương ứng với IrCC8 IrCC17) hệ số trọng số tối ưu hóa  i , i  1, ,8 / 17 xác định Bước 3: Xác định số vòng lặp giải mã chế mã hóa IrCC-URCMOD 3.3.4 Kết thiết kế mã IrCC Bộ 28 kết thiết kế mã IrCC17(31,27), IrCC17(17,15), IrCC8(31,27), IrCC8(17,15) hiệu tiếp cận dung lượng DCMC (dDCMC) hệ thống HAP qua kênh HAP pha-đinh Rice, Rayleigh kênh chuyển mạch hai trạng thái được liệt kê bảng 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 3.6 Trong đó, ký hiệu IrCCj(31,27) IrCCj(17,15) (với j = 17 tương ứng gồm 17 mã chập thành phần) Bảng Liệt kê kết thiết kế mã IrCC17(31,27) hiệu tiếp cận dung lượng DCMC (dDCMC) qua kênh HAP pha-đinh Rice,   450 (K=10 dB) Cơ chế Rc dDCMC Các hệ số 1 ,  , , 17  mã IrCC17(31,27) điều chế BPSK 1/2 QPSK QPSK QPSK 2/3 3/4 1/2 8PSK 1/2 16QAM 1/2 16QAM 3/4 [ 0,044 0(5) 0,264 0,324 0,097 0,025 0 0,146 0,054 0,026 0,021] [ 0,085 0(8) 0,195 0,091 0,216 0,171 0,085 0,157] [ 0,051 0(11) 0,363 0,086 0,244 0,256 ] [ 0,037 0(4) 0,369 0,110 0,046 0,120 0,094 0,105 0,044 0,013 0,061] [ 0,014 0,169 0,209 0 0,093 0,152 0 0,022 0,172 0,022 0,027 0,120 ] [ 0 0,248 0,013 0,189 0 0,182 0(3) 0,207 0(3) 0,161 ] [0,0511 0(10) 0,282 0,192 0(3) 0,473] 0,7 dB 0,68 dB 0,8 dB 0,52 dB 0,6 dB 0,5 dB 1,0 dB Bảng Liệt kê kết thiết kế mã IrCC8(17,15) IrCC8(31,27) qua kênh HAP chuyển mạch hai trạng thái Cơ chế điều chế QPSK 16QAM 64QAM 1 , , ,  IrCC8(17,15) Rc=0,5 [0,150 0,011 0,703 0,022 0,042 0,073] [0,205 0,120 0,154 0,138 0,057 0,135 0,082 0,109] [0,296 0,217 0,101 0,218 0,167] 1 , , ,  IrCC8(31,27) Rc=0,67 [0,094 0(3) 0,224 0,487 0,195] [0,052 0 0,291 0,068 0,283 0,306] Rc=0,5 [0,084 0,547 0,061 0,238 0,022 0,048] [0,185 0,102 0,237 0,148 0,156 0,172] Rc=0,67 [0,020 0(3) 0,631 0,133 0,216] [0,066 0 0,327 0,265 0,342] [0,275 0,123 0,288 0,092 0,222] [0,040 0 0,445 0,010 0,103 0,401] [0,022 0 0,375 0,161 0,080 0,361] 15 Bảng 3 Liệt kê kết thiết kế mã IrrCC17(31,27), Rc=1/2 hiệu tiếp cận dung lượng DCMC (dDCMC) qua kênh HAP pha-đinh Rayleigh,   10 Cơ chế điều chế QPSK 8PSK 16QAM Các hệ số: 1 , , ,17  IrCC17(31,27) [ 0,031 0(4) 0,355 0,142 0,059 0,091 0,100 0,109 0,036 0,015 0,062 ] [0,056 0(3) 0,367 0 0,022 0,111 0,124 0,025 0,109 0,073 0,035 0,078] [0,057 0 0,039 0,329 0(3) 0,155 0,095 0 0,152 0,037 0,039 0,097] dDCMC 0,7 dB 0,86 dB 0,82 dB Bảng Liệt kê dDCMC chế chế mã hóa IrCC8(17,15)-URC-MOD cho hệ thống HAP qua kênh HAP chuyển mạch hai trạng thái Cơ chế điều chế QPSK 16QAM 64QAM Rc=0,5 2,3 dB 6,8 dB 11 dB IrCC8(17,15) dDCMC Rc= 0,67 1,3 dB 4,8 dB 0,76 dB 10 dB dB 15 dB CDCMC 1,0 dB 6,04 dB 10 dB CDCMC 3,6 dB 9,02 dB 13,86 dB dDCMC 1,2 dB 0,98 dB 1,14 dB Bảng Liệt kê dDCMC chế mã hóa IrCC8(31,27)-URC-MOD cho hệ thống HAP qua kênh HAP chuyển mạch hai trạng thái Cơ chế điều chế QPSK 16QAM 64QAM Rc= 0,5 1,8 dB 6,4 dB 10,5 dB CDCMC dB 5,92 dB 10 dB IrCC8(31,27) dDCMC Rc= 0,67 0,8 dB 4,0 dB 0,48 dB 9,5 dB 0,5 dB 14,5 dB CDCMC 3,6 dB 9,02 dB 13,86 dB dDCMC 0,4 dB 0,48 dB 0,64 dB Bảng Liệt kê kết thiết kế mã IrCC(17,15) hiệu tiếp cận dung lượng DCMC (dDCMC) qua kênh HAP, điều chế QPSK, Rc=0,5 Kiểu kênh pha-đinh Rice   45 , K=10 dB Rayleigh,   100 Chuyển mạch hai trạng thái IrCC8(17,15) IrCC17(17,15) 1 ,  , ,   dDCMC 1 ,  , , 17  [0,1434 0(2) 0,7202 0,0459 0,0234 0,0671] 1,42 dB [0,0355 0(4) 0,2626 0(2) 0,5189 0(3) 0,0899 0,0163 0,0768] 0,92 dB [0,1399 0,0384 0,6952 0(2) 0,0469 0,0796] [0,150 0,011 0,703 0,022 0,042 0,073] 1,2 dB [0,0239 0(4) 0,3250 0(2) 0,4540 0(3) 0,0952 0,0147 0,0872] [0(5) 0,420 0(2) 0,353 0(3) 0,135 0(2) 0,015 0,077] 0,9 dB 1,3 dB dDCMC 0,9 dB 3.4 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MÃ CHẬP KHÔNG ĐỀU Tham số sử dụng để đánh giá hiệu BER, FER, SNR dDCMC phụ thuộc vào trạng thái kênh truyền, kích cỡ khung tin, số vòng lặp giải mã, kiểu đan xen, tỷ lệ mã, phương thức điều chế 16 3.4.1 Kết 1: Hiệu chế mã hóa IrCC17(31,27)-URCQPSK, tỷ lệ mã Rc=0,5 Hình 3.7 thể tham số sử dụng kết hiệu BER đạt chế mã hóa IrCC17-URC-QPSK SCCC dự án CAPANINA Kết đạt cho thấy IrCC17 (31,27)-URC-QPSK cho hiệu tiếp cận dung lượng DCMC cải thiện Cụ thể: IrCC17 (31,27) cho dDCMC = 0,52 dB, cải thiện hiệu dDCMC so với CC(31,27) qua kênh pha-đinh Rice 1,2 dB; IrCC17 (17,15) cho dDCMC = 0,92 dB, cải thiện hiệu dDCMC so với CC(17,15) qua kênh pha-đinh Rice 1,5 dB; IrCC17 (31,27) cho hiệu dDCMC cải thiện so với CC(17,15) qua kênh pha-đinh Rice 1,7 dB; Hơn nữa, với số vòng lặp giải mã (J=27 vịng) kích cỡ khung tin đủ lớn (N=100000 bit), IrCC17 (31,27) cho hiệu BER đạt thấp vượt qua giá trị SNR hội tụ: Eb/N0 =1,0 dB (đối với kênh HAP phađinh Rice) xác định qua phân tích biểu đồ EXIT, cho hiệu độ lợi mã hóa cải thiện khoảng: 1,2/1,5 dB IrCC17 (31,27)/ IrCC17 (17,15) so với CC(31,27)/CC(17,15) tương ứng 1,7 dB IrCC17 (31,27) so với CC(17,15) 1,0 dB IrCC17 (17,15) so với CC(31,27) Hình Hiệu BER IrCC17URC-QPSK CC-URCQPSK, Rc=0,5, qua kênh HAP pha-đinh Rice Rayleigh Ngồi ra, chế mã hóa IrCC17-URC-QPSK SCCC, tỷ lệ mã Rc=0,5 qua kênh HAP pha-đinh Rayleigh cho thấy giá trị Eb/N0 hội tụ 2,5 dB, lớn so với Eb/N0 hội tụ kênh HAP pha-đinh Rice Điều thể chất ảnh hưởng kênh pha-đinh 17 3.4.2 Kết 2: Hiệu FER chế mã hóa IrCC17-URCQPSK qua kênh HAP pha-đinh Rice Hình Hiệu FER IrCC17(31,27) -URC-QPSK SCCC [11] tỷ lệ mã Rc=0,5 qua kênh HAP pha-đinh Rice,   450 (K=10dB) Hình 3.8 thể tham số kết hiệu FER chế mã hóa IrCC17-URC-QPSK CC-URC-QPSK, tỷ lệ mã Rc=0,5 qua kênh pha-đinh Rice Cũng giống kết thể hình 3.8, với số vịng lặp giải mã kích cỡ khung tin đủ lớn (N=120000 bit), giá trị SNR hội tụ, chế IrCC17-URC-QPSK cho hiệu FER đạt thấp nhất, cải thiện hiệu độ lợi mã hóa tiếp cận dung lượng so với chế CC-URC-QPSK Tuy nhiên, FER=10-6, với kích cỡ khung tin nhỏ (khoảng vài trăm bit), IrCC17-URC-QPSK lại không cho hiệu cải thiện so với CC-URC-QPSK với loại mã chập mẹ 3.4.3 Kết 3: Hiệu FER chế mã hóa IrCC8-URC-QPSK qua kênh HAP chuyển mạch hai trạng thái Hình 3.9 thể tham số sử dụng kết mô hiệu FER chế mã hóa IrCC8-URC-QPSK cho hệ thống HAP qua kênh HAP chuyển mạch hai trạng thái Các kết đạt cho thấy: - Hiệu FER cải thiện khi: (i) tỷ lệ mã thấp mã sử dụng (IrCC8(31,27) IrCC8(17,15)); (ii) sử dụng mã mẹ có độ dài hạn chế lớn (IrCC8(31,27) hiệu tốt IrCC8(17,15)) - Tại FER=10-6, tỷ lệ mã 0,67, với số vịng lặp kích cỡ khung tin (J=15, N=1911 bit), chế IrCC8-URC-QPSK cho hiệu độ lợi mã hóa cải thiện so với SCCC(2872,1911) [11] khoảng 0,77/1,57 dB tương ứng với IrCC8(17,15) IrCC8(31,27) 18 - Tại FER=10-5, tỷ lệ mã 0,67, với số vịng lặp kích cỡ khung tin (J=15, N=1911 bit), chế IrCC8-URC-QPSK cho hiệu độ lợi mã hóa cải thiện so với PCCC(2872,1911) [11] khoảng 0,5/1,35 dB tương ứng với IrCC8(17,15) IrCC8(31,27) Hình Hiệu FER chế mã hóa IrCC8-URCQPSK cho hệ thống HAP qua kênh HAP chuyển mạch hai trạng thái Hơn nữa, chế IrCC8-URC-QPSK, tỷ lệ mã 0,67: (i) IrCC8(31,27) cho dDCMC = 0,4 dB, cải thiện hiệu dDCMC so với CC(31,27) khoảng 1,0 dB; (ii) IrCC8(17,15) cho dDCMC = 1,2 dB, cải thiện hiệu dDCMC so với CC(17,15) khoảng 0,8 dB Nhìn chung, sở ba kết hiệu chế mã hóa IrCC-URC-MOD đạt trên, nhận thấy: với số vịng lặp giải mã kích cỡ khung tin đủ lớn, IrCC đề xuất thiết kế chế mã hóa IrCC-URC-MOD cho hệ thống HAP thể hiệu cải thiện độ lợi mã hóa tiếp cận dung lượng kênh Mức độ cải thiện nhiều hay phụ thuộc kích cỡ khung tin (kích thước đan xen), số vịng lặp giải mã, mã chập mẹ số lượng mã chập thành phần sử dụng Tuy nhiên, để đạt hiệu cải thiện số vòng lặp giải mã tăng, điều làm tăng thêm thời gian giải mã kênh 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương đạt kết sau: Thiết kế 28 kết IrCC cho hai trường hợp sử dụng mã chập mẹ: CC(1, 15/17) CC(1,27/31), đánh giá hiệu IrCC qua mô Với đề xuất sử dụng IrCC mã hóa vịng ngồi chế mã hóa cơng trình nghiên cứu [11] cho thấy hiệu cải thiện so với [11] 19 Tuy nhiên, để đạt hiệu cải thiện số vịng lặp giải mã tăng Hơn nữa, kích cỡ khung ngắn (khoảng vài trăm bit), hiệu nâng cao không đáng kể, chí khơng đạt CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH GIẢI TÍCH XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG BIÊN XÁC SUẤT LỖI CHO HỆ THỐNG HAP 4.1 XÂY DỰNG CƠNG THỨC TÍNH XÁC SUẤT LỖI CẶP Xác suất lỗi cặp định nghĩa xác suất giải mã sai chuỗi X thành chuỗi  X thường sử dụng phân tích đánh giá hiệu mã kênh sử dụng hệ thống thơng tin Khi có thơng tin trạng thái kênh, xác suất lỗi cặp có điều kiện (CPEP) cho hệ thống sử dụng mã hóa kênh, điều chế QPSK, tách sóng quán xác định là: 2  a   Q  Eb  m1 a x  x  m2 a x  x   Pm1m2 ,QPSK X , X  k k k k   i l  N  l l l     (4.1) đó, Q    hàm Q phân bố Gauss Khi kênh HAP chịu ảnh hưởng pha-đinh Rayleigh, (4.1) trở thành: Pm1m2 ,QPSK , HAP  Ray X ,  X       m1 m2     sin  sin      d sin   E N sin   E N b   b   (4.2) Khi kênh HAP chịu ảnh hưởng pha-đinh Rice, ta có: m   K       1 sin     Pm1m2 ,QPSK , HAP-Rice X , X    exp    2 1  1 sin    1 sin      sin    K   exp   2 1   sin     sin  (4.3) m2   d   đó:    K   ;    K   Eb N Eb N Trong trường hợp kênh HAP kênh chuyển mạch hai trạng thái:    0,565 P m1m2 ,QPSK , HAP-Rice X , X    (4.4)  m1     0, 435 Pm1m2 ,QPSK , HAP-RL X , X    4.2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH GIẢI TÍCH XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG BIÊN XÁC SUẤT LỖI BIT CỦA CƠ CHẾ MÃ HÓA IrCC-URC-QPSK Pm1m2 ,QPSK,HAP-TSS X ,  X  m       4.2.1 Xây dựng mơ hình giải tích xác định đường biên xác suất lỗi bit Để tính tốn xác suất lỗi hệ thống HAP sử dụng mã kênh Cs theo chế mã hóa IrCC-URC-QPSK (hình 3.6), tỷ lệ mã Rc=Ro=p/n, giả thiết mã thành phần vịng ngồi Co vịng Ci tuyến 20 tính Cs xem mã khối tuyến tính Khi đó, thuật toán giải mã lặp Cs với số lần lặp đủ lớn xem thuật tốn cận tối ưu có chất lượng hồi quy giải mã ML Ngồi ra, đan xen  , có kích thước L  N Rc bit (N kích cỡ khung tin), giả thiết đan xen ngẫu nhiên đồng dạng Khơng tính tổng qt, giả thiết từ mã phát từ mã tồn “khơng” xác suất lỗi (xác suất lỗi bit Pb ) kiện khác “không” nhỏ tổng tất kiện lỗi xảy Vì vậy, đường biên tổng chế mã hóa IrCC-URC-QPSK có dạng: Pb   m1 m2 b b Cs  Wb,m P X,X 1m2 m1m2 ,QPSK,HAP L Rc   (4.5) C Wb,ms ,m2 hàm liệt kê trọng số có điều kiện (CWEF), thể số từ mã mã Cs có trọng số Hamming đầu vào b, trọng số Hamming  xác suất lỗi cặp sử dụng điều chế đầu m1, m2; Pm1m2 ,QPSK,HAP X,X   QPSK qua kênh HAP Xác suất lỗi bit chế mã hóa IrCC-URC-QPSK xác định là: P Pb _ IrCC-URC-QPSK   k Pbk , P  17 (4.6) k 1 đó, Pbk xác suất lỗi bit giải mã sai mã chập thành phần thứ k, tỷ lệ mã Rk  pk nk (Rk =0,1 - 0,9) tính là: Pbk  bk W bCk s,m1 m Pk,m1 m ,QPSK,HAP X,  X , k  1, 2, P  k Rk   L m1 m2 bk  (4.7) đó, L k độ dài khối mã đầu mã thành phần k ( L k   k L ); W bC ,m m hàm liệt kê trọng số có điều kiện (CWEF), thể số từ mã mã Cs có trọng số Hamming đầu vào bk, trọng số Hamming đầu m1, m2, sử dụng mã chập thành phần k có tỷ lệ mã Rk ; s k Pk , m1m2 ,QPSK,HAP X,  X xác suất lỗi cặp sử dụng điều chế QPSK qua kênh   HAP mã chập thành phần k s Để xác định xác suất lỗi bit Pbk , cần xác định WbCk ,m Các m2 hệ số W bC ,m m tìm hàm liệt kê trọng số đầu vào - đầu s k 21 (IOWEF) mã chập thành phần thứ k: W C k ,o  B , L  IOWEF Ci mã URC: W  L , D1 , D2  xác định 4.2.2 Hàm liệt kê trọng số mã chập thành phần 4.2.3 Hàm liệt kê trọng số mã URC 4.2.4 Kết đạt Xét chế mã hóa IrCC8(17,15)-URC-QPSK (Cs), tỷ lệ mã Rc=0,67, qua kênh HAP chuyển mạch hai trạng thái có tham số  k 1 , , ,8  =[0,094 0 0,224 0,487 0,195] Trong đó, mã chập thành phần có khoảng cách tự tương ứng d k0, f  13,3, 2, với k  1, 5, 6, Khi đó, áp dụng (4.6) để đánh giá hiệu IrCC8(17,15)-URC-QPSK Để đơn giản tính tốn (4.7), thành phần có ảnh hưởng lớn đến tổng (4.7) xét đến Đó thành phần tạo trọng số nhỏ đầu mã hóa vịng Hình Đường biên xác suất lỗi bit IrCC8(17,15 )-URCQPSK, qua kênh HAP chuyển mạch hai trạng thái Hình 4.1 biểu diễn kết đánh giá hiệu chế mã hóa IrCC8(17,15)-URC-QPSK qua mơ hình giải tích xác định đường biên xác suất lỗi bit mô Kết cho thấy, với số lần lặp đủ lớn, đường biên xác suất lỗi bit vùng Eb/No đủ lớn sát với kết mơ Với kích cỡ khung tin khác nhau, đường biên xác suất lỗi bit chế mã hóa IrCC-URC-QPSK cho thấy có độ dốc thể độ lợi đan xen tăng kích cỡ khung tin Điều có nghĩa với khung tin có kích cỡ từ N=100 bit lên N=1000 bit độ lợi đan xen đạt khoảng 10-2 Nhìn chung, mơ hình giải tích cho phép có đánh giá nhanh hiệu chế mã hóa IrCC-URC-QPSK sử dụng hệ 22 thống HAP, giúp kiểm chứng lại kết thiết kế mã kênh đánh giá hiệu mã kênh qua mô cho hệ thống HAP 4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG Với mục tiêu xây dựng mơ hình giải tích để đánh giá nhanh hiệu chế mã hóa IrCC-URC-QPSK sử dụng hệ thống HAP, chương đạt số kết nghiên cứu sau: Xây dựng cơng thức tính xác suất lỗi cặp cho hệ thống HAP sử dụng điều chế QPSK Xây dựng mơ hình giải tích xác định đường biên xác suất lỗi để đánh giá hiệu chế mã hóa IrCC-URC-QPSK sử dụng hệ thống HAP Mơ hình tính tốn dựa xác suất lỗi bit mã chập thành phần tham gia vào q trình mã hóa giải mã IrCC theo hệ số trọng số tối ưu thiết kế Xây dựng biểu đồ lưới mở rộng cho mã chập thành phần sử dụng IrCC Các kết đạt cho thấy mơ hình giải tích xác định đường biên xác suất lỗi công cụ đắc lực việc đánh giá nhanh hiệu chế mã hóa IrCC-URC-QPSK sử dụng hệ thống HAP KẾT LUẬN Mục tiêu luận án tập trung vào ba vấn đề nghiên cứu là: (i) Nghiên cứu thiết lập đường biên dung lượng kênh hệ thống HAP qua số phương thức điều chế tách sóng quán QPSK, 16QAM, 64QAM,…; (ii) Đề xuất sử dụng thiết kế mã kênh IrCC tiếp cận dung lượng kênh cho hệ thống HAP sử dụng biểu đồ EXIT; (iii) Xây dựng mơ hình giải tích xác định đường biên xác suất lỗi để đánh giá hiệu chế mã hóa IrCC-URC-QPSK sử dụng hệ thống HAP Để đạt mục tiêu đặt ra, luận án thực đóng góp sau: Thiết lập đường biên dung lượng kênh cho hệ thống HAP Dựa khảo sát nghiên cứu trước, NCS nhận thấy nghiên cứu đánh giá hiệu mã kênh sử dụng hệ thống HAP không bàn luận đến hiệu tiếp cận dung lượng kênh dung lượng DCMC Vì vậy, để thiết kế mã kênh tiếp cận dung lượng kênh, luận án thiết lập đường biên dung lượng DCMC cho hệ thống HAP sử dụng phương thức điều chế tách sóng quán qua số mơ hình kênh HAP tiêu biểu Dung lượng DCMC cịn cho thấy phụ thuộc vào góc ngẩng, với vị trí góc ngẩng cho điều kiện kênh HAP khác Do vậy, triển khai hệ thống HAP thực tế, cần xét đến vị trí góc ngẩng cho hệ thống đạt chất lượng thông tin tốt Đặc biệt, đường biên dung lượng DCMC sử dụng để đánh giá hiệu 23 tiếp cận dung lượng kênh mã kênh thiết kế cho hệ thống HAP Ngoài ra, tham số đánh giá hiệu khác như: xác suất tới hạn dung lượng tới hạn xem xét Các kết đạt đóng góp nguồn tham khảo tốt thiết kế triển khai hệ thống HAP Đề xuất thiết kế 28 tham số mã kênh tiếp cận dung lượng kênh cho hệ thống HAP Trong nghiên cứu mã kênh sử dụng cho hệ thống HAP, NCS đề xuất sử dụng IrCC với mục tiêu hiệu tiếp cận dung lượng kênh Các đóng góp nhóm kết là: Thiết kế IrCC cho hai trường hợp mã chập mẹ: CC(1, 15/17) CC(1,27/31) sử dụng công cụ biểu đồ EXIT, qua: (i) số mơ hình kênh điển hình hệ thống HAP: kênh HAP pha-đinh Rice; Rayleigh kênh HAP chuyển mạch hai trạng thái; (ii) chế điều chế: QPSK, 8PSK, 16QAM, 64QAM; (iii) tỷ lệ mã: 0,5; 0,67; 0,75 Cụ thể, luận án thiết kế 28 tham số cho IrCC Từ hồn tồn thiết kế IrCC với kịch khác Đồng thời, luận án đánh giá hiệu IrCC-URC-MOD qua công cụ mô Với đề xuất sử dụng IrCC mã hóa vịng ngồi chế mã hóa dự án CAPANINA cho thấy hiệu đạt tốt so với PCCC SCCC dự án CAPANINA Cụ thể, số vòng lặp giải mã kích cỡ khung tin đủ lớn, chế mã hóa IrCC-URCQPSK, với Rc=0,5 cho hiệu tiếp cận dung lượng kênh độ lợi mã hóa cải thiện khoảng:  1,7 dB/1,5 dB/0,8 dB qua kênh HAP chịu ảnh hưởng phađinh Rice (K=10 dB) tương ứng IrCC17(31,27)/ IrCC17(17,15)/ IrCC8(17,15)  1,0 dB/0,8 dB/0,5 dB qua kênh HAP chịu ảnh hưởng phađinh Rayleigh tương ứng với IrCC17(31,27)/ CC17(17,15)/ IrCC8(17,15)  1,2 dB/1,1 dB/0,7 dB kênh HAP chuyển mạch hai trạng thái tương ứng với IrCC8(31,27)/ IrCC17(17,15)/ IrCC8(17,15) Tuy nhiên, với kết cải thiện hiệu đạt số vịng lặp giải mã tăng Hơn nữa, kích cỡ khung tin ngắn (khoảng vài trăm bit), hiệu độ lợi mã hóa cải thiện khơng đáng kể, chí khơng đạt Xây dựng mơ hình giải tích xác định đường biên hiệu xác suất lỗi bit cho hệ thống HAP 24 Để có đánh giá nhanh hiệu chế mã hóa IrCCURC-QPSK sử dụng hệ thống HAP, luận án xây dựng mơ hình giải tích xác định đường biên xác suất lỗi bit Trong mơ hình này, luận án đã: (i) xây dựng cơng thức tính xác suất lỗi cặp cho hệ thống HAP sử dụng điều chế QPSK; (ii) xây dựng mơ hình giải tích xác định đường biên xác suất lỗi bit chế mã hóa IrCC-URC-QPSK; (iii) thiết lập bước xây dựng sơ đồ lưới mở rộng cho mã chập thành phần sử dụng IrCC, tạo sở xác định hàm liệt kê trọng số mã chập thành phần Tuy nhiên, với kết đạt vấn đề gợi mở xem hướng nghiên cứu luận án: - Nghiên cứu đánh giá hiệu mã kênh cho hệ thống HAP qua số mã kênh khác như: mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC), mã cực (Polar) … chế mã hóa khác - Xây dựng kịch mơ hình kênh HAP có xem xét đến ảnh hưởng pha-đinh Rice che khuất khu vực thị, ngoại thành, nơng thơn Từ thiết kế mã kênh tiếp cận dung lượng kênh cho hệ thống HAP qua mơ hình kênh - Thiết kế IrCC cho hệ thống HAP-MIMO, hệ thống HAP sử dụng chế điều chế tách sóng khơng quán, - Nghiên cứu chế điều chế mã hóa thích ứng để nâng cao chất lượng thơng tin cho hệ thống HAP HAP không tựa tĩnh và/hoặc thiết bị thu phát mặt đất di động - Nghiên cứu thiết kế giải mã cho chế mã hóa IrCC-URC-MOD ... hành cách, HAP giải pháp thông tin vô tuyến hiệu đáng tin cậy cho nhiều ứng dụng thực tế Cụ thể, HAP sử dụng để thay trạm gốc không cung cấp thông tin liên lạc vô tuyến Mặt khác, HAP hoạt động... kết nối liên HAP, để cung cấp dịch vụ viễn thông Vệ tinh Hình 1 Hệ thống HAP triển khai độ cao 17~22km HAP HAP khác Trạm mặt đất 17-22 Km Mạng cố định Người sử dụng Các ô Vùng phủ HAPS 200 Km... tin cho thông tin vô tuyến thiết lập Shannon, người đưa giới hạn truyền dẫn thông tin tin cậy Lý thuyết Shannon đưa khái niệm dung lượng kênh, C, tham số hiệu thiết lập giới hạn lượng thơng tin