ch−ơng 2 : tính tốn tuyến thơng tin vệ tinh
3.3. Tốc độ và cơng suất thích nghi
3.3.2. Điều khiển tốc độ thích nghi
Một cách tiếp cận khác với điều khiển công suất thích nghi là điều khiển tốc độ thích nghi. Trong tr−ờng hợp này, công suất giữ khơng đổi, cịn tốc độ bit thay đổi theo fading của kênh. Về toán học hai cách tiếp cận là t−ơng đ−ơng. Thực tế là, thích nghi thì cho ta l−ợng tin trung bình cao hơn so với tiết kiệm công suất. Với lý do này, nó có thể là ph−ơng pháp hay hơn cho hệ thống vệ tinh với công suất bị rằng buộc.
Điều khiển tốc độ và cơng suất thích nghi trong thơng tin vệ tinh băng Ka
D−ới đây ta xét tr−ờng hợp trong đó giả sử sự biến thiên tốc độ là liên tục. Thực tế là tốc độ phát có thể thay đổi từng b−ớc rời rạc phụ thuộc vào việc dùng phần cứng cụ thể.
Lý t−ởng nhất, điều khiển tốc độ cho kết quả là SNR thu đ−ợc là hằng số γ0đủ để có xác suất lỗi bit theo yêu cầu Pe0 =P[ ]γ0 . Tr−ờng hợp này có thể xảy ra nếu độ lợi kênh là đã biết. Khi đó, ta mong muốn có
0 0 /N R=γ
G
PT ..R=PTG/N0γ0 =R0G, tại đó, là tốc độ t−ơng ứng với kênh khơng có fading . Khơng có tr−ờng hợp ngừng hoạt động vì xác suất lỗi bít ln ln là . Tốc độ trung bình có thể đạt đ−ợc trong tr−ờng hợp này là
0 R (G =1) 0 e P 2 / 0 0 2 σ + = =R G R em R .
Khi kênh là hồn tồn khơng biết tốc độ có thể điều chỉnh:
K G R
R= 0 ˆ/ (3.19)
Trong đó, K là l−ợng dự trữ đ−ợc tính cho độ lệch giữa kênh −ớc l−ợng và kênh thực. Ta lựa chọn K sao cho xác suất ngừng hoạt động theo yêu cầu là: Pout =P{PTG/N0R<γ0}=P{KG/Gˆ <1}. Do đó, với bộ −ớc đốn kênh dựa trên mơ hình AR1, ta có K đ−ợc chọn trong (12). Tốc độ trung bình đạt đ−ợc trong tr−ờng hợp này là: 2 / 0 em a2σ2 K R R = + (3.20)
Hình 3.4 chỉ ra rằng tốc độ trung bình là một hàm của hệ số fading 1-a. Với fading chậm, −ớc đốn gần hồn hảo là có thể, và R →R0G . Khi fading nhanh hơn, lỗi trong −ớc đoán kênh là nguyên nhân làm giảm tốc độ trung bình. Cuối cùng thì fading trở nên rất nhanh và R →R0Gout. Giá trị này bằng với tốc độ với hệ khơng thích nghi, có tốc độ xác định với cơng suất xác định, có thể đạt đ−ợc trong thiết kế cho mục đích P
T
P
out ngừng hoạt động tại xác suất lỗi bít Pe0. Nó t−ơng tự nh− tr−ờng hợp dự trữ là xác định. Điều khiển tốc độ thích nghi làm tăng tốc độ trung bình so với hệ thống khơng thích nghi một hệ số có giá trị phụ thuộc vào tốc độ fading. Giá trị này là cực đại khi kênh hoàn toàn là đã biết (hoặc t−ơng đ−ơng với fading là đủ chậm để −ớc đốn gần
Điều khiển tốc độ và cơng suất thích nghi trong thơng tin vệ tinh băng Ka
nh− hồn hảo là có thể xảy ra), và bằng G/Gout. Do những lỗi −ớc đốn, tốc độ trung bình giảm, nh−ng vẫn cịn cao hơn trong hệ thống khơng thích nghi. Ví dụ, tại , tốc độ trung bình có thể đạt đ−ợc cao hơn 12 lần so với không điều khiển tốc độ, và chỉ thấp hơn 1.4 lần trong tr−ờng hợp fading là hoàn tồn đã biết. Từ đây, dù có xuất hiện của −ớc đốn fading khơng hồn hảo, thì có thể có sự cải thiện đáng kể. Thực tế này thúc đẩy việc tìm kiếm một kế hoạch điều khiển tốc độ thực tế.
01 . 0 = d dT w
Hình 3.4: Tốc độ trung bình là một hàm của thơng số fading 1 - a. Thuật tốn thích nghi tốc độ đ−ợc đ−a ra nhằm thoả mãn xác suất ngừng hoạt động lối ra
Việc thay đổi tốc độ truyền thực là khơng thuận lợi trong thực tế bởi vì nó yêu cầu chỉnh lại bộ lọc và phần cứng phải đồng bộ. Sẽ thuận tiện hơn nhiều khi sử dụng tốc độ truyền xác định, trong khi chỉ phải thay đổi số bít trên một ký hiệu, có nghĩa là thay đổi mức điều chế.
Các kênh vệ tinh đ−ợc đặc tr−ng bộ khuếch đại khơng tuyến tính, và với lý do này, các hệ thống vệ tinh trong thực tế hiếm khi dùng các mức điều chế cao hơn 4. Một thiết kế thí nghiệm đ−ợc thiết lập dùng điều chế 4, 8, 16 QPSK đối với hệ thống băng Ka. Sử dụng mức điều chế cao hơn trong giản đồ chòm sao với pha và biên độ thay đổi (nh− MQAM) cần đặc biệt chú ý đến
Điều khiển tốc độ và cơng suất thích nghi trong thông tin vệ tinh băng Ka
méo phi tuyến. Cần phải sử dụng các ph−ơng pháp làm méo chịm sao tr−ớc, méo tín hiệu tr−ớc, hoặc bộ thu dựa trên ph−ơng thức cân bằng tách sóng. Một thiết kế theo cách này của một hệ thống 16 QAM dùng cho kênh vệ tinh đ−ợc đ−a ra trong [7].
D−ới đây ta xét việc thiết kế hệ thống dựa trên lựa chọn mức điều chế thích nghi. Sự lựa chọn đ−ợc thực hiện theo cách sao cho yêu cầu về xác suất ngừng hoạt động Pout cho một tỷ số lỗi bít Pe0 đ−a ra là thoả mãn. Ta quan tâm đến hoạt động của hệ thống tuyến tính và nghiên cứu hiệu suất băng thơng trung bình có thể có đ−ợc từ sự lựa chọn điều chế thích nghi.
Giả thiết rằng hệ thống lựa chọn từ các mức I khả dụng đ−ợc miêu tả bởi k1, k2, ...kI bít trên một ký hiệu của một ph−ơng thức điều chế đ−ợc chọn ra, nh− là MPSK hoặc MQAM. Xác suất lỗi t−ơng ứng của các mức này đ−ợc đ−a ra bởi hàm đã biết Pe,i( )γ , ở đó γ =PTG/N0R là SNR đạt đ−ợc với tốc độ ký hiệu R, là bằng nhau đối với tất cả các ph−ơng pháp điều chế.
Dùng xác suất ngừng hoạt động nh− là một chuẩn thiết kế, tr−ớc tiên ta xác định rõ khoảng SNR trong mỗi ph−ơng thức điều chế đ−ợc sử dụng. Cụ thể, sự lựa chọn theo các mức sau:
- Khi G<Gout =G0 không truyền
- Khi G∈[Gi−1,Gi) ph−ơng pháp i đ−ợc chọn (i<I) - Khi G≥GI−1, ph−ơng pháp I đ−ợc chọn (Gi =∞)
Ng−ỡng đ−ợc xác định thoả mãn yêu cầu thiết kế của Poutvà Pe0: ( ) ( )0 1 1 , 0 1 1 , e e e i e out i P P P P G G − − + = (3.21)
ở đó Gout đ−ợc đ−a ra nh− trong [7]. Chú ý rằng, thay vì dừng truyền khi , vẫn có thể tiếp tục truyền khi sử dụng ph−ơng thức đầu tiên. Điều này sẽ làm tăng hiệu suất băng thơng trung bình, nh−ng khơng đáng kể vì một lý do là xác suất ngừng hoạt động thấp. Tuy nhiên, những rằng buộc công suất đ−ợc tạo ra bằng cách sử dụng điều khiển tắt/mở.
out
G G<
Điều khiển tốc độ và cơng suất thích nghi trong thơng tin vệ tinh băng Ka
Xác suất của mỗi ph−ơng thức điều chế đ−ợc đánh giá với giả thuyết fading theo hàm loga chuẩn.
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = − σ σ 1 ln ln i i i G m Q G m Q P (3.22)
Số bít trung bình trên một ký hiệu đạt đ−ợc bây giờ là:
∑ = = kI k k i i b R k P R 1 / (3.23)
Một số ví dụ bằng số chứng minh khả năng cải thiện hiệu suất băng thơng trung bình có thể đ−ợc thơng qua việc lựa chọn mức điều chế thích nghi. Ta thừa nhận mơ hình fading với (m,σ2)=(−0.5,1) nh− tr−ớc, và một thiết kế dựa trên Pout= 0.01, Pe0=10-6.
Xét MPSK hay MQAM, với M =2ki. Tỉ số lỗi bít của mã Gray MPSK là gần với [8] ( ) ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ≈ i k i i e Q k P 2 sin 2 2 1 2 , π γ γ (3.24)
Giá trị xấp xỉ này là đúng với mọi M và SNR cao. Xác suất lỗi bít của MQAM cầu ph−ơng theo mã Gray thể tính xấp xỉ theo [3]
( ) ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − ≈ 1 2 2 3 exp 5 1 ,i ki e P γ γ (3.25)
Giá trị xấp xỉ này là đúng với M ≥4 và SNR giữa 0 và 30 dB. Kết quả đ−ợc tổng hợp đ−a ra trong bảng I và II.
Nh− ta mong đợi, hiệu suất băng thơng trung bình tăng khi nhiều mức điều chế có thể đùng để lựa chọn, Tuy nhiên, có một hiệu ứng giảm trở lại. Một ví dụ đã đ−a ra, thêm vào mức cao hơn tiếp theo (lựa chọn từ 5 ph−ơng thức) làm tăng hiệu suất băng thơng trung bình của cả MPSK và MQAM.
Việc lựa chọn mức trong QAM đ−a ra tốc độ bit trung bình cao hơn so với mức t−ơng tự của PSK. Ví dụ, chọn 4PSK, 8PSK và 16PSK cho tốc độ trung bình 3.28bit/ký tự. Lựa chọn từ 4QAM, 16QAM và 64QAM sẽ là 3.98 bit/ký tự (chú ý là sẽ là khơng cơng bằng nếu bỏ qn 8QAM bởi vì thiếu mơ
Điều khiển tốc độ và cơng suất thích nghi trong thơng tin vệ tinh băng Ka
hình sát với chuẩn cho tỉ số lỗi bit để có thể tạo ra một hệ thống thực tế). Cũng phải đ−ợc chỉ ra rằng sự so sánh trên là dựa trên nền tảng của công suất PT bằng nhau trong một hệ thống tuyến tính. Để đảm bảo tuyến tính trong một hệ thống thực tế, MQAM yêu cầu độ lùi lớn hơn MPSK.
ki....kI Rb/R ki....kI Rb/R 2,3 2.85 2,4 3.51 2,3,4 3.28 2,4,6 3.98 2,3,4,5 3.34 2,4,6,8 4.01 Bảng 3.1: Số bít trung bình trên một ký hiệu với MPSK Bảng 3.2: Số bít trung bình trên một ký hiệu với MQAM
Cuối cùng, phải nhấn mạnh rằng hệ thống thực tế sẽ sử dụng mã hố kênh. Do đó, các đ−ờng cong xác suất lỗi bít cho những sơ đồ mã hố khác nhau phải đ−ợc dùng để đánh giá việc cải thiện hiệu suất băng thông của việc lựa chọn các sơ đồ điều chế/mã hoá. Cùng với việc chọn mức điều chế và mã, một thiết kế hệ thống hiệu quả có thể kết hợp điều khiển cơng suất dựa trên các thống kê kênh đã biết. Trong các hệ thống thực tế, −ớc đoán kênh sẽ đ−ợc sử dụng để thực hiện việc lựa chọn điều chế. Với mỗi ph−ơng thức điều chế đ−ợc lựa chọn, cơng suất dự trữ có thể đ−ợc thiết kế để t−ơng tự nh− đã nói trong phần 3.1.
3.4. Kết luận [4]
Trên đây ta đã trình bày về vấn đề điều chế thích nghi cho TTVT băng Ka. Nếu xác suất ngừng hoạt động là xác định tr−ớc thì suy hao do m−a trong băng này dẫn tới một dự trữ tuyến lớn cố định. Điều khiển công suất và tốc độ thích nghi tạo ra hiệu quả sử dụng tài nguyên của hệ thống, nh− tiết kiệm công suất hoặc tăng thông l−ợng khi điều kiện kênh là thuận lợi.
Ta cũng đ−a ra ph−ơng pháp giải tích để xác định cách thích nghi khi fading đ−ợc mơ hình hố nh− là một quá trình phân bố theo hàm loga chuẩn với suy hao động đ−ợc mơ tả theo mơ hình tự hồi quy bậc 1. −ớc đoán MMSE
Điều khiển tốc độ và cơng suất thích nghi trong thơng tin vệ tinh băng Ka
của độ lợi kênh đ−ợc dùng để điều khiển thích nghi cơng suất hoặc tốc độ. Sơ đồ thích nghi đ−ợc thiết kế để làm thoả mãn yêu cầu xác suất ngừng hoạt động. Làm nh− vậy, ta đã đ−a ra biểu thức của l−ợng dự trữ theo các thông số thống kê của quá trình fading . Kết quả là cơng suất trung bình và tốc độ truyền đã đ−ợc cải thiện đáng kể theo các kỹ thuật này. Ta cũng chứng minh rằng có một sự cải thiện đáng kể so với hệ thống khơng thích nghi khi dùng một sơ đồ thích hợp có kể đến tác động của lỗi −ớc đốn kênh. Những nghiên cứu trong lĩnh vực này có thể tập trung hơn nữa vào việc lập mơ hình thơng minh hơn quá trình fading, nh− là các mơ hình nhiều trạng thái.
Trong thực tế, ta th−ờng dùng cách thay đổi các mức điều chế hơn so với thay đổi tốc độ truyền. Mục đích của việc này là để đạt đ−ợc hiệu suất băng thơng trung bình (hiệu suất phổ) cực đại. Với những ph−ơng pháp điều chế đ−a ra, ta xác định một quy tắc lựa chọn làm thoả mãn yêu cầu với xác suất ngừng hoạt động trong điều kiện fading theo hàm loga chuẩn. Kết quả chỉ ra rằng mặc dù MPSK cung cấp hiệu suất băng thơng trung bình thấp hơn MQAM, sự chênh lệch là không nhiều. Cho một hệ thống thực tế, cả hai ph−ơng thức đề có thể đ−ợc đ−a vào để tính tốn cho hệ thống phi tuyến.
Điều khiển tốc độ và cơng suất thích nghi trong thơng tin vệ tinh băng Ka
kết luận
Thông tin vệ tinh chỉ mới xuất hiện trong hơn bốn thập kỷ qua nh−ng đã phát triển rất nhanh chóng trên thế giới cũng nh− trong n−ớc ta, mở ra một thời kỳ mới cho sự phát triển trong mọi lĩnh vực khoa học cũng nh− đời sống nói chung và đặc biệt ngành viễn thơng nói riêng. Nhờ thơng tin vệ tinh với các dịch vụ mới đa dạng mà các lĩnh vực khoa học khác cũng đ−ợc phát triển. Thông tin vệ tinh đẫ làm cho khoảng cách về không gian và thời gian của các n−ớc trên hành tinh của chúng ta xích lại gần nhau hơn. Những thành quả đạt đ−ợc là nhờ những các đặc tính −u việt với các công nghệ tiên tiến nhất của thông tin vệ tinh mà các hệ thống viễn thơng khác khơng có. Với những −u điểm nổi bật nh− vùng phủ lớn, băng thông rộng đã đáp ứng đ−ợc hầu hết các dịch vụ viễn thơng tồn cầu. Các dịch vụ quảng bá, dịch vụ thông tin di động... chỉ có thơng tin vệ tinh mới đáp ứng đ−ợc.
Trong luận văn này tôi đã đ−a ra đ−ợc các xu thế phát triển của thông tin vệ tinh đặc biệt là ở băng tần Ka. Các −u điểm của băng tần này đã tạo ra b−ớc đột phá trong thông tin vệ tinh. Những yếu tố ảnh h−ởng và liên quan đến băng tần Ka đã đ−ợc nghiên cứu. Những vấn đề đã đ−ợc đề cập trong luận văn này bao gồm:
• Tìm hiểu tổng quan của thông tin vệ tinh: - Khái niệm cơ bản
- Các dạng quỹ đạo của vệ tinh. - Các ph−ơng pháp đa truy nhập.
- Các loại hình dịch vụ của thơng tin vệ tinh đã đ−ợc đ−a ra. • Phân tích tính tốn một tuyến thông tin vệ tinh:
- Các thông số anten.
- Công suất phát, công suất thu và công suất tạp âm đầu vào máy thu, tỷ số tín hiệu trên tạp âm của máy thu.
Điều khiển tốc độ và cơng suất thích nghi trong thơng tin vệ tinh băng Ka
- Các ảnh h−ởng của môi tr−ờng truyền dẫn và sự bù lại đối với các ảnh h−ởng của mơi tr−ờng truyền sóng.
- Tỷ số tín hiệu trên tập âm đối với một tuyến (truy nhập đơn). • Đ−a ra cách điều khiển cơng suất và tốc độ thích nghi trong thông tin vệ
tinh băng Ka:
- Giới thiệu mơ hình kênh và bộ −ớc đốn kênh. - Điều khiển cơng suất thích nghi trong băng Ka. - Điều khiển tốc độ thích nghi trong băng Ka.
• Xây dựng ch−ơng trình mơ phỏng điều khiển cơng suất và tốc độ thích nghi trong thơng tin vệ tinh băng Ka.
Với những −u điểm về băng băng thơng rộng, băng tần Ka cịn có
nh−ợc điểm là suy hao rất nhiều trong điều kiện môi tr−ờng nh− m−a, khi quyển, bão cát... Trong thời gian tới, các công việc tiếp tục đ−ợc nghiên cứu nh− sau:
• Tìm hiểu các mơ hình thơng minh, đa dạng của các q trình fading (mơ hình nhiều trạng thái).
• Đ−a ra các thuật tốn thích hợp vừa đảm bảo các u cầu về cơng suất, tốc độ vừa tính tốn nhanh trong thơng tin vệ tinh băng Ka.
Điều khiển tốc độ và cơng suất thích nghi trong thơng tin vệ tinh băng Ka
Phụ lục
Mô phỏng các ph−ơng pháp điều khiển cơng suất và tốc độ thích nghi bằng Mathlab 6.5 % clear all; close all; hold off; i=0:0.05:5; a=1-10.^-i; Pout=0.001; m=-0.5; sigma=1;