THỐNG TURBO ĐƠN THUẦN.
Bảng 4.4: Các thông số mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO.
Kênh truyền Additive White Gaussian Noise (AWGN)
Điều biến Binary Phase Shift Keying (BPSK)
Bộ mã hóa 2 bộ mã hóa RSC
Thông số RSC n=2,k=1,K=3, G0=7,G1=5
Bộ chèn Bộ chèn giả ngẫu nhiên 1024 bit
CBHD:TS Hoàng Thu Hà 95 HVTH: Nguyễn Quang Anh
Thuật toán giải mã Linear-Log-MAP
Số lần lặp tối đa 8
Sốăng-ten 2×2
Trong các hệ thống này, MIMO sẽ bao gồm 2 ăng-ten phát và 2 ăng-ten thu (2×2) có kết hợp phương pháp phân tập thu MRC. Mã Turbo (7,5) có tốc độ mã hóa 1/3, áp dụng thuật toán Linear-Log-MAP và có độ dài của bộ chèn là 1024 bit. . Tổng số bit truyền là 20.000.000 bit
Bảng 4.5 chỉ ra kết quả giải mã cụ thể của hệ thống kết hợp mã Turbo (7,5) và MIMO (2x2) mô hình (a) theo số lượng bit lỗi và tỉ lệ lỗi qua 8 vòng lặp tại bộ
giải mã của mã Turbo. Kết quả cho thấy hệ thống đạt BER = 10-8ở Eb/N0=2.2dB, FER = 10-3 ở Eb/N0=2dB. Sau 6 vòng lặp, hệ thống đã sửa sai được tất cả các lỗi xuất hiện trước đó.
Bảng 4.5: Kết quả giải mã của hệ thống kết hợp mã Turbo và MIMO(a).
Tổng số bit lỗi trên mỗi lần lặp (trên 20000896 bit truyền)
106759 24991 2671 338 118 3 0 0
Bit Error Rate trên mỗi lần lặp
5.34×e-2 1.25×e-3 1.34×e-4 1.69×e-5 5.90×e-6 1.10×e-8 0 0
Tổng số frame lỗi trên mỗi lần lặp (trên 977 frame truyền)
1954 1800 403 42 6 4 0 0
Frame Error Rate trên mỗi lần lặp
CBHD:TS Hoàng Thu Hà 96 HVTH: Nguyễn Quang Anh
Hình 4.11: Kết quả BER mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO. Các thông số hệ thống như bảng 4. 4, hệ thống MIMO bao gồm 2 ăng-ten phát và 2 ăng-ten thu (2×2) kết hợp phương pháp phân tập thu MRC, tốc độ mã hóa 1/3 . Hệ thống sửa sai toàn bộ
CBHD:TS Hoàng Thu Hà 97 HVTH: Nguyễn Quang Anh
Hình 4.12: Kết quả FER mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO(a). Các thông số hệ
thống như bảng 4. 4, hệ thống MIMO bao gồm 2 ăng-ten phát và 2 ăng-ten thu (2×2) kết hợp phương pháp phân tập thu MRC, tốc độ mã hóa 1/3 .
Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống kết hợp Turbo-MIMO (2x2) đạt BER ~10-8 tại Eb/N0 ~ 2.2dB, tốt hơn hệ thống Turbo không sử dụng MIMO khoảng 0.3 dB.
CBHD:TS Hoàng Thu Hà 98 HVTH: Nguyễn Quang Anh
4.3.2 MÔ PHỎNG SO SÁNH CÁC THUẬT TOÁN GIẢI MÃ TRONG HỆ THỐNG TURBO-MIMO.
Để so sánh hiệu quả của các thuật toán giải mã trong hệ thống Turbo-MIMO, chúng ta dùng các thông số như bảng 4.6 sau:
Bảng 4.6: Các thông số mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO.
Kênh truyền Môi trường nhiễu AWGN
Điều biến Binary Phase Shift Keying (BPSK)
Tổng số bit truyền 106
Thông số RSC n=2,k=1,K=3, G0=7,G1=5
Bộ chèn Bộ chèn giả ngẫu nhiên 1024 bit
Tốc độ mã hóa 1/3
Thuật toán giải mã Linear-Log-MAP, Max-Log MAP,
Constant-Log MAP, Log-MAP,SOVA
Số lần lặp tối đa 8
CBHD:TS Hoàng Thu Hà 99 HVTH: Nguyễn Quang Anh
Hình 4.13 : Kết quả mô phỏng so sánh các thuật toán giải mã trong hệ thống Turbo-MIMO(2x2).
Bảng 4.7: Bảng so sánh thời gian đáp ứng của các thuật toán giải mã.
Thuật toán Linear Log MAP MAX Log-MAP Constant
Log MAP Log-MAP SOVA Thời gian 10 phút 32s 11 phút 19s 15 phút 20s 18 phút 54s 11 phút 21s
Bên cạnh 2 thuật toán rút gọn của MAP như Log-MAP, Max-Log MAP, chương trình mô phỏng còn so sánh các thuật toán trên với thuật toán Linear-Log MAP - áp dụng thuật toán tuyến tính của Log-MAP [34], thuật toán Constant-Log MAP - áp dụng kỹ thuật lấy hằng số nhất định gần đúng của Log-MAP [38].
CBHD:TS Hoàng Thu Hà 100 HVTH: Nguyễn Quang Anh
Kết quả mô phỏng ở hình trên cho thấy, trong các thuật toán giải mã gồm Log-MAP,Linear-Log MAP, Constant-Log MAP, Max-Log MAP, SOVA, thuật toán “Log MAP” cho kết quả giải mã tốt nhất, tiếp theo lần lượt là các thuật toán “Linear-Log MAP”, “SOVA”, “Constant-Log MAP” và cuối cùng là thuật toán “Max-Log MAP”.
Về thời gian đáp ứng, thuật toán Linear-Log MAP có thời gian đáp ứng ngắn nhất, tiếp theo lần lượt là MAX-Log MAP, SOVA, Constant-Log MAP, Log-MAP.
4.3.3 MÔ PHỎNG SO SÁNH CÁC KÍCH THƯỚC BỘ TRỘN BIT KHÁC NHAU. KHÁC NHAU.
Để so sánh sự ảnh hưởng đến kết quả giải mã của các độ dài bit chèn khác nhau. Để ý kích thước bộ chèn cũng chính là độ dài khung truyền dữ liệu. Hệ thống sử dụng thuật toán giải mã “Linear-log MAP” để tối ưu hóa thời gian thực hiện, các thông số còn lại như bảng 4.6 ở trên. Độ dài khung truyền cũng chính là độ dài của bộ chèn bit. Kết quả mô phỏng thu được ở hình 4.14.
Hình 4.14 : Kết quả mô phỏng so sánh kết quả giải mã của hệ thống Turbo-MIMO (2x2) với kích thước bộ chèn khác nhau.
CBHD:TS Hoàng Thu Hà 101 HVTH: Nguyễn Quang Anh Bảng 4.8 : Thời gian thực hiện mô phỏng đối với kích thước bộ chèn khác nhau
trong hệ thống Turbo-MIMO (2x2).
Kích thước
bộ chèn 512 bit 1024 bit 2048 bit 4096 bit 8192 bit Thời gian 7 phút 32s 11phút 19s 15phút 23s 19 phút 7s 23phút 14s
Kết quả mô phỏng ở hình trên cho thấy, với độ dài khung truyền càng lớn, kết quả giải mã càng tốt, vì độ dài bộ chèn càng lớn thì các bit có trọng số lớn sẽ
tăng lên. Tuy nhiên độ dài khung càng lớn, thời gian giải mã lại lâu hơn, không phù hợp với các ứng dụng truyền thông thời gian thực.
4.3.4 MÔ PHỎNG SO SÁNH CÁC TỐC ĐỘ MÃ HÓA KHÁC NHAU.
Bên cạnh các yếu tố chiều dài bộ chèn, các thuật toán giải mã, thì tốc độ mã hóa cũng ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Nếu tốc độ mã hóa càng nhỏ thì số bit kiểm tra parity đi kèm sẽ lớn và sẽ giúp cho hệ thống giải mã tốt hơn rất nhiều. Tuy nhiên, điều đó sẽảnh hưởng đến tốc độ truyền dẫn của hệ thống, số bit truyền nhiều hơn, đồng nghĩa với việc băng thông lớn hơn và thời gian trễ cũng tăng lên .Kết quả
CBHD:TS Hoàng Thu Hà 102 HVTH: Nguyễn Quang Anh
Hình 4.15 : Kết quả mô phỏng của hệ thống Turbo-MIMO (2x2) so sánh ảnh hưởng của các tốc độ mã hóa khác nhau. Các thông số mô phỏng theo bảng 4.4.
Các thông số mô phỏng theo bảng 4.4 nhưng mã hóa ở các tốc độ khác nhau thông qua bộ lược bit. Kết quả mô phỏng cho thấy, kết quả giải mã tốt nhất khi tốc
độ mã hóa là 1/3, nghĩa là không dùng kỹ thuật lượt bit. Tốc độ mã hóa cao nhất là 2/3 cho kết quả giải mã xấu đi rất nhiều.
4.3.5 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TURBO-MIMO TRONG MÔI TRƯỜNG FADING RAYLEIGH CHẬM.
Trong thực tế, môi trường truyền dẫn khắc nghiệt hơn môi trường AWGN, suy hao đa đường trong hệ thống ăng-ten MIMO chắc chắn sẽ ảnh hưởng rất nhiều
đến kết quả sửa lỗi của hệ thống. Mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO trong kênh truyền giảm Rayleigh chậm dưới đây sẽ cho thấy điều này.
CBHD:TS Hoàng Thu Hà 103 HVTH: Nguyễn Quang Anh Bảng 4.9: Kết quả giải mã của hệ thống kết hợp mã Turbo và MIMO trong môi
trường Rayleigh chậm.
Tổng số bit lỗi trên mỗi lần lặp (trên 2000448 bit truyền)
192332 72340 43090 11232 6532 234 0 0
Bit Error Rate trên mỗi lần lặp
9.61 ×e-1 3.61 ×e-2 2.15 ×e-2 5.61×e- 3
3.27 ×e- 4
1.17 ×e-
4 0 0
Tổng số frame lỗi trên mỗi lần lặp (trên 977 frame truyền)
977 850 760 549 221 0 0 0
Frame Error Rate trên mỗi lần lặp
1.00×e0 8.7×e-1 7.78×e-1 5.61×e- 1
2.26×e-
CBHD:TS Hoàng Thu Hà 104 HVTH: Nguyễn Quang Anh
Hình 4.16 : Kết quả BER mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO(b) trong môi trường Rayleigh chậm. Các thông số hệ thống còn lại như bảng 4.4. Hệ thống MIMO bao
gồm 2 ăng-ten phát và 2 ăng-ten thu (2×2) kết hợp phương pháp phân tập thu MRC, tốc độ mã hóa 1/3 . Hệ thống sửa sai toàn bộ lỗi sau 6 vòng lặp.
CBHD:TS Hoàng Thu Hà 105 HVTH: Nguyễn Quang Anh
Hình 4.17 : Kết quả FER mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO(b). Các thông số hệ
thống như bảng 4.4 , hệ thống MIMO bao gồm 2 ăng-ten phát và 2 ăng-ten thu (2×2) kết hợp phương pháp phân tập thu MRC, tốc độ mã hóa 1/3.
Bảng 4.9 chỉ ra kết quả giải mã cụ thể của hệ thống kết hợp mã Turbo (7,5) và MIMO (2x2) kênh truyền Rayleigh chậm. Kết quả cho thấy hệ thống đạt BER = 10-6 ở Eb/N0=4dB, FER = 10-2 ở Eb/N0=4.4dB. Sau 6 vòng lặp, hệ thống đã hoàn toàn hết lỗi.
4.4 KẾT LUẬN.
Trong chương này, luận văn đã xây dựng và mô phỏng kết quả của một hệ
thống Turbo-MIMO 2×2 trong môi trường suy hao AWGN và Rayleigh chậm. Các mô phỏng trong chương này đã chứng tỏ tính hiệu quả của hệ thống Turbo-MIMO
2
2× . Hệ thống Turbo-MIMO đạt BER ở 10-8 tại Eb/N0=2.2 dB, hơn 0.3 dB giá trị
Eb/N0 so với hệ thống mã hóa Turbo chỉ sử dụng 1 ăng-ten thu phát trong môi trường AWGN.
CBHD:TS Hoàng Thu Hà 106 HVTH: Nguyễn Quang Anh
Kết quả mô phỏng trong luận văn đã thể hiện, trong các thuật toán giải mã trong bộ giải mã Turbo, thuật toán “Log MAP” cho kết quả tốt nhất, tuy nhiên thời gian đáp ứng lại lâu hơn thuật toán Linear-Log MAP, Max-Log-MAP. Bên cạnh đó, kích thước bộ chèn cũng ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Kích thước bộ chèn cũng chính là kích thước khung truyền. Kích thước khung càng lớn, chất lượng chống lỗi càng tăng nhưng thời gian đáp ứng càng lâu, chưa thích hợp cho các ứng dụng truyền dữ liệu đáp ứng thời gian thực như điện thoại, truyền hình trực tiếp v.v...
Trong môi trường truyền suy hao đa đường, can nhiễu gây ảnh hưởng nhiều
đến chất lượng hệ thống, một hệ thống sử dụng mã chống lỗi Turbo là một lựa chọn thích hợp. Trong chương 5, luận văn sẽ xây dựng mô hình hệ thống truyền dữ liệu
CBHD:TS Hoàng Thu Hà 107 HVTH: Nguyễn Quang Anh
CHƯƠNG 5 - TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU
MULTIMEDIA SỬ DỤNG HỆ THỐNG
TURBO-MIMO. 5.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU.
Mục đích sau cùng của chuyên ngành điện tử - viễn thông nói chung và một hệ thống truyền thông nói riêng cũng là đảm bảo việc truyền dẫn dữ liệu hiệu quả và chất lượng. Ngày nay, một mạng dữ liệu có khả năng truyền dẫn với tốc độ cực nhanh đang là một nhu cầu không thể thiếu. Ngoài việc truyền dẫn tiếng nói, hệ
thống truyền dẫn dữ liệu truyền thông đa phương tiện gọi tắt là multimedia sẽ
truyền cả hình ảnh, âm thanh, và bao gồm cả dữ liệu số thông thường nhằm phục vụ
cho các tiện ích nâng cao như truy cập web, e-mail, chat, tivi, game online, IP phone …
Dữ liệu được truyền từ nơi thu đến nơi nhận phải thông qua một kênh truyền dẫn nhất định mà môi trường truyền có thể là vô tuyến hoặc hữu tuyến. Cho dù là môi trường truyền dẫn nào, can nhiễu xen vào làm suy giảm tín hiệu là một điều không thể tránh khỏi. Do đó, một hệ thống truyền dẫn dữ liệu hoạt động tốt thường
được trang bị một bộ mã hóa sửa sai có hiệu quả [40]. Tính hiệu quả của một hệ
thống Turbo-MIMO kết hợp đã được nêu ở chương trước.
Trong chương này, luận văn sẽ xây dựng và khảo sát một hệ thống truyền dẫn dữ liệu multimedia sử dụng ăng-ten MIMO kết hợp với mã chống lỗi Turbo để
sửa chữa lỗi do nhiễu đa đường gây ra nay nói một các khác là nâng cao tỷ số BER trong quá trình truyền dẫn dữ liệu.
5.2 MÔ HÌNH TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU.
Trong một hệ thống kết hợp Turbo – MIMO, rất nhiều yếu tốảnh hưởng đến chất lượng hệ thống, một trong những yếu tố khách quan mà một hệ thống bất kỳ đều bịảnh hưởng, đó chính là nhiễu sinh ra trong môi trường truyền.
Trong một hệ thống MIMO, nhiễu đa đường là một trong những đặc trưng quan trọng. Hệ thống kết hợp Turbo-MIMO được mô phỏng trong phần này sẽ là
CBHD:TS Hoàng Thu Hà 108 HVTH: Nguyễn Quang Anh
nhiễu AWGN, Rayleigh fading đa đường. Sơ đồ khối của một hệ thống truyền dẫn multimedia Turbo-MIMO như sau:
Hình 5.1 : Sơđồ khối hệ thống truyền dẫn multimedia Turbo-MIMO.
Dữ liệu truyền thông đa phương tiện multimedia thông thường bao gồm
đường truyền tiếng nói, gói dịch vụ truyền hình ảnh, truy cập web,email, MMS, video, vv..,đây là những dụ vụ cơ bản trong một hệ thống truyền dẫn thế hệ 3G. Trong khuôn khổ luận văn, chương trình mô phỏng việc truyền dữ liệu dạng text, hình ảnh tĩnh để xem xét khả năng sửa sai của mã Turbo. Các dạng dữ liệu khác
CBHD:TS Hoàng Thu Hà 109 HVTH: Nguyễn Quang Anh
được xử lý hoàn toàn tương tự. Tuy nhiên, các dạng gói dữ liệu chiếm kích cỡ lớn như video, âm thanh sẽ chiếm thời gian xử lý truyền dẫn và sửa lỗi lâu hơn.
Hình 5.2 dưới đây mô tả giải thuật cơ bản trong hệ thống truyền dẫn dữ liệu multimedia Turbo – MIMO.
Hình 5.2 : Giải thuật mô phỏng hệ thống truyền dẫn dữ liệu multimedia Turbo- MIMO.
Dữ liệu hình ảnh –text cần truyền Chuyển đổi dữ liệu qua dạng binary
Khởi tạo ma trận chứa các tham số về
vòng lặp, số bit trên khung truyền, bộ
trộn bit, thuật toán giải mã, số bit lỗi Mã hóa bit dữ liệu theo hàng thứ i
Điều biến dữ liệu trước khi chia đều cho 2 ăng-ten phát
Khởi tạo ma trận thông số kênh truyền H 2x2
Nhân ma trận dữ liệu sau khi điều biến với ma trận H + nhiễu đađường
Dữ liệu nhận được đưa vào bộ giải mã Turbo để detect dữ liệu
Tập hợp về ma trận dữ liệu ban đầu MxN, loại bỏ bit đồng bộ khung
Biến đổi dữ liệu về dạng byte ban đầu
Khôi phục dữ liệu hình ảnh /text ban đầu Khởi tạo ma trận dữ liệu theo dạng MxN
với N bằng số bit trên khung truyền, truyền dữ liệu theo từng hàng For t=1:lengh SNR For i=1:M data=fread(id infile,inf,’uint8’) bdata=binary(data) bittruyen=1024; iteration = 3; interleaver_Size = length_frame Encodebit=encode(i,:) dta=reshape(modulation_signal,sl 2,2); H=sqrt(0.5)*randn(2,2)+j*sqrt(0. 5)*randn(2,2) rdata(i)=decode (bit) column_data=rdata( ); real_rdata=column_ data(1:realnum_bit)
byte rdata=bit2byte(real rdata) ID_outfile = fopen([pathname] ,'w')
CBHD:TS Hoàng Thu Hà 110 HVTH: Nguyễn Quang Anh
5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.
5.3.1 TRUYỀN DỮ LIỆU DẠNG TEXT.
Để chạy phần mềm mô phỏng truyền dẫn dữ liệu, từ cửa sổ giao diện chương trình chính, chọn “ Bắt đầu” , chọn “Truyền dữ liệu”. Giao diện truyền dữ liệu dạng text như sau:
Hình 5.3 :Giao diện chương trình truyền dẫn file dạng text trong hệ thống Turbo- MIMO.
Chương trình yêu cầu nhập các thông số kênh truyền như sau: Số vòng lặp Turbo.
Loại điều biến.
Môi trường truyền dẫn. Thuật toán giải mã. Kích thước bộ chèn bit. Tốc độ mã hóa .
CBHD:TS Hoàng Thu Hà 111 HVTH: Nguyễn Quang Anh Các bước thực hiện mô phỏng:
o Chọn file text có định dạng txt bất kỳ từổ cứng thông qua menu “Chọn file”. Nội dung file được lựa chọn sẽ xuất hiện ở khung dữ
liệu truyền.
o Nhập các thông số cần thiết như phần trên.
o Bấm vào “Truyền dữ liệu” để thực hiện quá trình mô phỏng. Kết quả mô phỏng sẽ xuất hiện ở dạng text ở khung dữ liệu nhận. Bằng mắt thường, ta có thể so sánh được nội dung giữa file truyền và nhận một cách trực quan. Ngoài ra, chương trình cũng hỗ trợ việc đếm số bit lỗi, số khung lỗi, tổng số
bit truyền nhận và thời gian thực thi trong quá trình truyền dẫn.
Chọn file “tho1.txt” có sẵn trong thư mục “text” kèm theo đĩa mô phỏng. Nội dung file là bài thơ “ Thơ duyên” của nhà thơ Xuân Diệu. Nếu ta chọn số vòng lặp