Chương 3 Nhiễu, can nhiễu và tính toán dự trữ tuyến
4.3 Hiệu năng của một hệ thống có điều chế và mã hóa kênh
Như đã phân tích trong chương 3. Xác suất lỗi bit tại đầu vào bộ giải mã kênh, (Pe)vào, là một hàm của tỷ số Ec/No và tùy thuộc vào dạng điều chế/giải điều chế mà hệ thống sử dụng. Xác suất lỗi bit tại đầu ra bộ giải mã kênh (Pe)ra thường được biểu diễn dưới dạng là một hàm của tỷ số Eb/No ở đầu vào (trường hợp không mã hóa kênh). Eb/No có quan hệ với Ec/No (trường hợp có mã hóa kênh) theo biểu thức:
Eb/No = Ec/No - 10logp (4.3)
trong đó p là tốc độ mã được tính theo biểu thức (4.2).
Độ lợi giải mã được xác định bởi hiệu số Eb/No ứng với một giá trị cho của (Pe)ra như mô tả ở trên hình 4.3.
Bảng 4.1 mô tả một số giá trị điển hình về hiệu năng (độ lợi) của giải mã kênh tương ứng với tốc độ mã và tỷ số Eb/Novà xác xuất lỗi bit cho Pb = 10-6.
Hình 4.3: Mô tả hiệu năng của một hệ thống có điều chế và mã hóa kênh: định nghĩa về độ lợi giải mã
Một ưu điểm đối với dự trữ tuyến (link budget) trong các kênh số thông tin vệ tinh là độ lợi mã hóa được hưởng một sự gia tăng trong độ rộng băng tần sử dụng ở tuyến không gian khi tính dự trữ tuyến. Cụ thể là, nếu cần truyền một tốc độ bit là Rc lớn hơn tốc độ bit là Rb, thì lúc đó độ rộng băng tần được sử dụng là:
B = Rc = Rb/p., trong đó là hiệu suất phổ ( = tốc độ sóng mang/độ rộng băng tần chiếm dụng = Rc/B).
Bảng 4.1: Mô tả một số giá trị điển hình về hiệu năng (độ lợi) của giải mã kênh tương ứng với tốc độ mã và tỷ số Eb/No và xác xuất lỗi bit cho Pb = 10-0.
Tốc độ mã hóa Eb/No yêu cầu
đối với Pb = 10-6 Độ lợi giải mã
1 10,5 dB 0 dB 7/8 8,0 dB 2,5 dB 3/4 6,2 dB 4,3 dB 2/3 5,7 dB 4,6 dB 1/2 5,3 dB 5,2 dB 4.4. Một số ví dụ tính toán * Số liệu cho:
- Độ rộng băng tần của bộ phát đáp vệ tinh: B = 36 MHz;
- Yêu cầu đảm bảo truyền dữ liệu tại tốc độ Rb = 36 Mbps với xác suất lỗi bit Pe = 10-6.
- Điều chế sử dụng là QPSK với hiệu suất phổ cho: = 1,5 bit/s Hz.
a) Tính toán các thông số trong trường hợp không sử dụng mã kênh (p = 1)
- Tốc độ bit được truyền là: Rc = Rb = 36 Mbps;
- Độ rộng dải tần được sử dụng là: B = Rc/ = 36 Mbit/s/1,5 bit/s Hz = 24 MHz;
(chỉ sử dụng 2/3 độ rộng dải tần của bộ phát đáp) - Giá trị yêu cầu của tỷ số (C/No)Tlà:
(C/No)T = (Eb/No)1.Rb
Ở đây không có mã hóa kênh, do đó Eb/No = Rc/No.
Để đảm bảo xác suất lỗi bit là 10-6, theo bảng 4.1 có (Eb/No)1 = 10,5 dB. Giả thiết suy giảm của bộ giải mã là 1,5 dB. Như vậy (Eb/No)1 = 10,5 dB + 1,5 dB = 12 dB. Như vậy
(C/No)1 = (Eb/No)1.Rb = 12 dB + 10 log36.106 = 87,6 dB (Hz)
b) Tính toán các thông số trong trường hợp có sử dụng mã kênh với p = 2/3
- Tốc độ bit được truyền là
Rc = Rb/p = 36 Mbit/s.3/2 = 54 Mbit/s - Độ rộng dải thông được sử dụng là
B = 54 Mbit/s/1,5 bit/s Hz = 36 MHz - Giá trị yêu cầu của (C/No)T là
(C/No)2 = (Eb/No)2.Rb
Để đảm bảo xác suất lỗi Pe = 10-6, theo bảng 4.1 có (Eb/No)2 = 5,7 dB. Như vậy ở đây có lợi hơn về độ lợi giải mã so với không mã hóa là 10,5 - 5,7 = 4,8 dB. Giả thiết suy giảm của bộ giải mã vẫn là 1,5 dB.
Như vậy:
và
(C/N0)2 = (Eb/N0)2. Rb = 7,2 dB + 10log36.106 = 82,8 dB (Hz) c) Nhận xét:
Ứng với một giá trị xác suất lỗi bit (Pe) yêu cầu, hệ thống có sử dụng mã kênh có yêu cầu tỷ số C/N0 bé hơn so với hệ thống không sử dụng mã kênh. Điều đó có nghĩa là công suất phát sẽ giảm. Việc giảm công suất phát đặc biệt quan trọng với thiết bị phát của bộ phát đáp đặt trên vệ tinh (giảm trọng lượng vệ tinh).
- Hiệu suất sử dụng độ rộng băng tần của hệ thống có sử dụng mã kênh lớn hơn so với hệ thống không sử dụng mã kênh.
- Tốc độ mã ở đây đóng vai trò như chỉ số điều chế trong điều chế tần số; việc giảm tốc độ mã Rb làm nới rộng bang tần và dẫn đến giảm tỷ số C/N0.
Hình 4.4 mô tả mối quan hệ giữa tốc độ bit Rb của thông tin và giá trị (C/N0) = (C/N0)T ứng với xác suất lỗi bit không đổi tương ứng với tốc độ mã.
Tốc độ bit thông tin Rb (Rbmax)1 (Rbmax)2 Vùng giới hạn công suất Vùng giới hạn băng tần Không có mã kênh Có mã kênh 0 0 / / N E N C R b b Eb/N0 (Rbmax)1 = BΓ (Rbmax)2 = BΓ.p
Hình 4.4: Mô tả tốc độ thông tin (Rb) là một hàm số của tỷ cố C/N0 tại xác suất lỗi bit Pe hằng số và độ rộng dải tần cho
4.5. Yêu cầu truyền lại tự động
4.5.1. Các kỹ thuật ARQ
Kỹ thuật yêu cầu truyền lại tự động, ARQ (Automatic Repeat Request) thường được sử dụng trong trường hợp truyền dữ liệu theo gói (packet). Ở đây bộ giải mã kênh phát hiện lỗi nhưng không sửa lỗi, tức trong trường hợp phát hiện gói tin có lỗi thì gửi một tín hiệu đến máy phát yêu cầu truyền lại gói tin đó. Như vậy, cần có thêm một kênh tín hiệu từ máy thu đến máy phát. Trong thông tin vệ tinh thì kênh đó có thể là kênh vệ tinh và cũng có thể là kênh mặt đất. Việc sử dụng các mã phát hiện lỗi yêu cầu có độ tin cậy để kiểm soát lưu lượng nguồn và cho phép độ trễ giải mã biến đổi. Các nhược điểm đó có thể được bù lại bởi sự đơn giản của quá trình giải mã, khả năng thích ứng với lỗi có đặc tính thống kê và tỷ lệ lỗi thấp:
Có ba dạng kỹ thuật ARQ, đó là:
- Truyền lại có ngừng và chờ ( ARQ Stop-and-wait); - Truyền lại liên tục (Go-back-N ARQ);
- Truyền lại có chọn lọc (Selective-repeat ARQ) Hình 4.5. mô tả ba kỹ thuật nêu trên:
Hình 4.5: Phát hiện lỗi và truyền
a) Truyền lại co ngừng và chờ; b) Truyền lại liên tục; c) Truyền lại có chọn lọc. Các ký hiệu: KL: không lỗi; CL = có lỗi
Hiệu năng của hệ thống sử dụng kỹ thuật ARQ được đánh giá thông qua tham số hiệu suất của mỗi kỹ thuật ARQ sử dụng. Tham số hiệu suất ARQ được biểu thị bởi tỷ số của số lượng trung bình của các bit thông tin được truyền (có ARQ) trên tổng số bit có thể được truyền (không ARQ) trong cùng thời gian đó.
Như vậy ARQ có chọn lọc sẽ có hiệu suất lớn nhất, ARQ ngừng và chờ có hiệu suất thấp nhất. Tuy vậy ARQ có chọn lọc cần có thiết bị phức tạp hơn, trong lúc ARQ ngừng và chờ chỉ cần thiết bị tinh toán đơn giản hơn nhiều.
Ví dụ, với tuyến liên lạc vệ tinh số (địa tĩnh) có dung lượng R = 48 kbps. Thời gian khứ hồi của tín hiệu T = 600 ms. Xác suất lỗi bit Pe = 10-4. Khối dữ liệu truyền n = 1000 bit. Kết quả tính toán cho:
(ARQ - SW) = 0,03; (ARQ - GB) = 0,23; và (ARQ - SR) = 0,84.
4.5.2. Ứng dụng kỹ thuật ARQ trong các kênh truyền tin số
Kỹ thuật ARQ thường được kết hợp với mã kiểm soát lỗi kiểm tra độ dư vòng CRC (Cyclic Redundancy Check) để phát hiện lỗi và thực hiện ARQ đối với các tiêu đề của các giao thức truyền đồng bộ và không đồng bộ.
- Ví dụ với giao thức truyền dữ liệu đồng bộ SDLC (Syschronous Data Link Communication) và giao thức CCITT-X25 (truyền dữ liệu đồng bộ tốc độ cao) có dành một khung con độ dài là 16 bit trong trường tiêu đề để kiểm soát lỗi và thực hiện ARQ nếu dữ liệu trong trường tiêu đề truyền bị lỗi.
Hình 4.6. Mô tả phát hiện lỗi sử dụng mã CRC và ARQ trong trường tiêu đề của giao thức truyền dữ liệu đồng bộ SDLC (a) và giao thức truyền không đồng bộ
Hình 4.6 mô tả khung con phục vụ kiểm soát lỗi trong khung dữ liệu của giao thức SDLC (truyền dữ liệu đồng bộ) và trong trường tiêu đề cấu trúc khung truyền dữ liệu không đồng bộ ATM (Asynchronous Transfer Mode).
4.5.3. Mã kiểm soát lỗi CRC
Mã kiểm soát lỗi kiểm tra độ dư vòng CRC (Cyclic Redundancy Check) chủ yếu được sử dụng để phát hiện lỗi và thực hiện giải pháp ARQ, không sửa lỗi. Nguyên lý thực hiện mã CRC như sau:
- Phía phát thực hiện mã hóa: Đoạn tin k bit được chuyển dịch (n - k) vòng, kết quả đem chia cho đa thức sinh g(x) được chọn trước. Số dư r(x) của phép chia được cộng thêm vào đoạn tin k bit để có n bit được truyền đi (có n - k bit dư được cộng thêm vào, còn được gọi là các bit kiểm tra).
- Phía thu thực hiện giải mã CRC: Đoạn tin thu được (gồm n bit) được đem chia cho đa thức sinh g(x). Nếu số dư r(x) của phép chia bằng không, tức đoạn tín hiệu thu được không có lỗi. Nếu số dư của chia khác không (r(x) ≠ 0) tức đoạn tin thu được bị lỗi, cần thực hiện ARQ.
Về đa thức sinh g(x) đã có một số lựa chọn trước đưa vào các chuẩn khuyến nghị phù hợp với các giao thức truyền tin số. Ví dụ:
Chuẩn CRC-16 của ITU-T g(x) = x16 + x12 + x5 + 1
Chuẩn CRC-32 của IEEE:
g(x) = x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1
Chuẩn ERC-16 của ANSI g(x) = x16 + x15 + x2 + x + 1
Đa thức sinh sử dụng trong trường tiêu đề của ATM g(x) = x8 + x2 + x + 1.
Việc mã hóa và giải mã đối với mã CRC được thực hiện bởi các mạch logic XOR và thanh ghi dịch chuyển khá đơn giản.
4.5.4. Một ví dụ về mã hóa và giải mã đối với mã CRC
Tạo một từ mã CRC với dãy dữ liệu cho là 1001 và đa thức sinh cho là g(x) 1 + x + x3
Dãy dữ liệu cho M(x) = 1001 = 1 + x3
Đa thức sinh cho: g(x) = 1101 = 1 + x + x3
Dãy chuyển dịch bit: kM(x) = x3(1 + x3) = x6 + x3 = 1101000 Thực hiện phép chia kM(x) cho g(x) bằng phép trừ dịch chuyển:
Kết quả phép chia dịch chuyển cho kết quả số dư r(x) = 011.
Số dư đó được cộng vào dãy dữ liệu cho M(x) và kết quả từ mã CRC sẽ được truyền đi là: 1001011 = x6 + x3 + x + 1.
Quá trình thực hiện phép chia trên có thể sử dụng một mạch cứng thông thường. Hình 4.7 mô tả mạch tạo mã trên. Hoạt động của bộ tạo mã như sau. Các bit thông tin được truyền lần lượt như mã cyclic, nhưng ở đây có mạch phản hồi qua một chuyển mạch (đóng/mở). Các bước chuyển dịch theo nhịp tín hiệu đồng hồ. Trạng thái các thanh ghi dịch chuyển sau khi dãy dữ liệu đưa vào ứng với các điểm A, ...., E như sau:
Đầu vào A = 1001 B = 1010 C = 0101 D = 1111 E = 0111 F = 0011
Khi bit thông tin cuối cùng ở đầu vào được truyền thì chuyển mạch hồi được mở, dữ liệu lưu giữ trên các vị trí thanh ghi dịch chuyển E, D, B được cộng vào dữ liệu thông tin đầu vào qua chuyển mạch đầu ra. Các bit dư 011 trong ví dụ nêu trên của mã CRC cũng chính là mã Hamming (7, 4).
Về phía thu, khi nhận được dãy dữ liệu, lại đem chia cho đa thức sinh g(x)
= 1 + x + x3. Nếu số dư bằng không, tức không bị lỗi; nếu số dư khác không, tức dữ liệu truyền bị lỗi. Mạch giải mã là quá trình ngược lại của mạch tạo mã.
4.6. Một giải pháp kết hợp các kỹ thuật: bảo mật thông tin dữ liệu mã hóa kênh, xáo trộn bit và điều chế số trong kênh truyền tin số của hệ thống kênh, xáo trộn bit và điều chế số trong kênh truyền tin số của hệ thống thông tin vệ tinh
4.6.1. Sơ đồ khối chức năng
Hình 4.8 mô tả một kênh truyền tin số trong hệ thống thông tin vệ tinh có sự phối kết hợp giữa các kỹ thuật: Bảo mật dữ liệu, mã kênh, xáo trộn bit và điều chế số.
Bảo mật dữ
liệu Mã hóa kênh Xáo trộn bit Điều chế số
Bộ tạo mã giả ngẫu nhiên Bit + bit Mã chập (2,1,3) Ma trận xáo trộn hàng cột 8 x8 QPSK QAM DES 64 Khóa 56 + 8 Mã khối
hoặc cyclic Ma trận 64 x 64 16 PSK16 QAM
Tốc độ bit Rb Tốc độ bit Rc Tốc độ bit R
Tín hiệu ra
(Truyền hoặc ghép kênh)
Hình 4.8 Mô tả một kênh truyền tin số trong hệ thống thông tin vệ tinh có sự phối kết hợp giữa các kỹ thuật: Bảo mật dữ liệu, mã kênh, xáo trộn bit và điều
chế số
4.6.2 Bảo mật dữ liệu kết hợp phân tán bit
Bộ bảo mật dữ liệu kết hợp phân tán bit sử dụng bộ tạo mã giả ngẫu nhiên như mô tả ở hình 4.8 có thể vừa bảo mật dữ liệu vừa phân tán bit, hạn chế giảm thiểu các lỗi cụm do tác động của kênh truyền gây nên. Ở đây mỗi bit đầu ra của
bộ tạo mã giả ngẫu nhiên được cộng modul 2 bit bit với dãy dữ liệu đầu vào. Đầu ra này cũng là một dãy ngẫu nhiên. Phía thu phải có bộ tạo mã ngẫu nhiên đúng như phía phát mới giải mã được dữ liệu.
Hình 4.9 mô tả bộ xáo trộn (phía phát) và giải xáo trộn (phía thu) dùng các thanh ghi dịch chuyển có kết hợp đồng bộ.
Hình 4.9. a) Bộ xáo trộn bit phía phát; b) Bộ giải xáo trộn phía thu
4.6.3 Tạo mã kênh
Để giảm xác suất lỗi bit, phát hiện lỗi và sửa lỗi đối với các kênh truyền tin số trong hệ thống thông tin vệ tinh có thể sử dụng các loại mã kênh: mã chập, mã khối hệ thống, mã cyclic, mã RS. Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể mà có sự lựa chọn thích hợp. Việc lựa chọn sử dụng mã kênh có thể kết hợp với đầu ra của bộ bảo mật và đầu vào của bộ xáo trộn (hình 4.8). Ví dụ, bộ mã chập (2,1,3): tốc độ là ½, độ dài ràng buộc là 3 có thể kết hợp với dãy ngẫu nhiên đầu ra của bộ bảo mật dữ liệu và đầu vào bộ xáo trộn 8 x 8 (hình 4.8). Hình 4.10 mô tả một bộ tạo mã chập (2,1,3) dùng ba triger dịch chuyển.
Bộ tạo mã sử dụng thanh ghi ba tầng (ba triger dịch chuyển) và hai đầu ra qua hai bộ cộng modul-2. Như vậy bộ mã có tốc độ là 1/2 và độ dài ràng buộc là 3. Ký hiệu là mã (n, k, K) = (2, 1, 3). Đầu ra thứ nhất và đầu ra thứ hai của bộ
tạo mã có thể xem như hai đa thức so sánh g1(x) = 1 + x2 và g2(x) = 1 + x; có thể sử dụng trong các phép tính. Ứng với mỗi bit đầu vào, có hai bit đầu ra (tốc độ 1/2). Do bộ mã có ba tầng (n = 3) cho nên sẽ có 2(n-1) trạng thái tương ứng với các cặp bit dữ liệu 00, 01, 10, 11 ở đầu ra ứng với dữ liệu đầu vào.
Hình 4.10. Bộ tạo mã chập tốc độ 1/2
Có thể mô tả các trạng thái đầu vào và đầu ra của bộ tạo mã qua đồ thị hình cây (tree diagram), đồ thị lưới (trellis diagram) hoặc đồ thị trạng thái (state diagram) (hình 4.11).
Việc giả mã có thể thực hiện theo một trong các giải pháp sau: - Giải mã sử dụng thuật toán Viterbi.
- Giải mã quyết định mềm - Giải mã chuỗi
Hình 4.11. a) Đồ thị hình cây; b) Đồ thị lưới; c) Đồ thị trạng thái. Của bộ tạo mã hình 4.10
4.6.4 Xáo trộn bit
Đối với các kênh truyền tin số vệ tinh tốc độ cao, do tác động của can nhiễu nên thường xuất hiện lỗi cụm (burst errors). Các can nhiễu có thể là nhiễu đồng kênh, nhiễu của kênh lân cận, nhiễu môi trường hoặc phading sâu v.v... Một trong những kỹ thuật được sử dụng phổ biến là giải pháp phân tán bit ở phía phát.
Một giải pháp phân tán bit thường được sử dụng là phân tán bit theo hàng