Truyền tin không dây đã phát triển cách đây hơn một trăm năm, kể từ khi Marconi phát minh ra điện tín xuyên Đại Tây Dương năm 1896. Và những lý thuyết cơ bản về truyền tin không dây được xây dựng bởi Claude E.Shanon vào năm 1948. Trong nghiên cứu của mình, Shanon chỉ ra với mã hóa thông tin, có thể giảm tối đa lỗi xuất hiện trên kênh truyền khi tốc độ giới hạn trong dung năng kênh. Kể từ đó nhiều kỹ thuật mã hóa đã được phát triển cho các mô hình truyền tin không dây.
1.1. Mô hình hệ truyền tin
Trong một hệ truyền tin số, một chuỗi các bit nhị phân đầu vào được gọi là chuỗi tin u, khối mã hóa sẽ biến đổi chuỗi thông tin này thành chuỗi mã hóa nhị phân v, được gọi là từ mã. Khối điều chế sẽ chuyển đổi mỗi ký tự đầu ra sau khi mã hóa thành tín hiệu dạng sóng với chu kỳ Tc và đưa vào kênh truyền, chú ý kênh truyền có tác động nhiễu .
Tín hiệu sóng nhận được với chu kỳ Tc tại đầu thu, được đưa vào khối điều chế, ở đây xảy ra quá trình lượng tử hóa để chuyển đổi tín hiệu dạng sóng thành lại chuỗi bit nhị phân. Chuỗi bit ở đầu ra giải điều chế tương ứng với chuỗi mã hóa v, ký hiệu là chuỗi bit r. Khối giải mã sẽ biến chuỗi r thành lại chuỗi nhị phân ˆu được gọi là chuỗi thông tin ước tính. Chính xác sau mỗi quá trình giải điều chế thì uˆ phải là bản sao của u. Tuy nhiên các nhiễu trên kênh truyền có thể là nguyên nhân gây ra giải mã lỗi, bị sai.
Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 36
1.2. Phân loại kênh truyền
Các kênh truyền có nhiễu là các kênh truyền không nhớ, nhiễu sẽ ảnh hưởng độc lập đến mỗi ký tự truyền. Đối với kênh truyền có nhớ thì nhiễu kênh truyền không tác động lên quá trình truyền.
Kênh truyền không nhớ còn được gọi là kênh truyền với lỗi ngẫu nhiên. Xét kênh truyền đối xứng nhị phân, mỗi bit nhận được chính xác trong quá trình truyền tương ứng với xác suất 1-p. Trong kênh truyền nhị phân có xóa, mỗi bit nhận sẽ có xác suất p hoặc ký tự xóa ε với xác suất q
Hình 2.2: xác suất a) kênh truyền đối xứng nhị phân; b) kênh truyền nhị phân có xóa [7]
Bên cạnh kênh truyền nhị phân, các kênh truyền với xác suất theo các hàm phân bố cũng được nghiên cứu rộng rãi, trong đó kênh ồn trắng theo phân bố Gauss, kênh pha đinh Rician, kênh pha đinh Rayleigh.
Xét chuỗi x m là thông tin đầu vào của kênh, thông tin đầu ra y m
sẽ bằng:
l
l
y m h m x m l w m (2.1) trong đó h m là tập các trọng số, và w m là nhiễu tác động .
Trong kênh ồn trắng xác suất mô hình phân bố xác suất có thể đơn giản hóa như sau:
y m x m w m (2.2)
trong đó nhiễu ồn w m được xác định là chuỗi phân bố độc lập và đồng nhất của các biến ngẫu nhiên.
Các kênh pha đinh Rician và pha đinh Rayleigh được dùng để mô phỏng các hệ truyền tin di động. Mô hình kênh pha đinh Rician thường được áp dụng cho việc truyền trực tiếp giữa bộ phát di động với trạm thu. Trong kênh pha đinh Rician tần số phẳng, độ lớn h m của tạp thứ l là một biến ngẫu nhiên Rician còn
Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 37 Hình 2.3: Hai kiểu truyền giữa đầu phát và đầu thu [3]
Kênh pha đinh Rayleigh được áp dụng trong trường hợp không có tín hiệu trực tiếp mà có nhiều những tín hiệu phản xạ từ các trạm phát di động tới trạm thu. Trong kênh pha đinh Rayleigh tần số phẳng, độ lớn h m là một biến ngẫu nhiên Rayleigh còn w m là của kênh AWGN.
Trong những kênh truyền này, lỗi xuất hiện ngẫu nhiên trong chuỗi bit r.
1.3. Hiệu suất kênh truyền
Hiệu suất của hệ thống truyền tin được mã hóa, xác định bằng xác suất giải mã lỗi và độ lợi của việc mã hóa so với hệ truyền tin không mã hóa cùng truyền tin với tốc độ như nhau.
Có 2 loại xác suất lỗi, tỷ lệ lỗi ký hiệu (WER) và tỷ lệ lỗi bit (BER). Tỷ lệ lỗi ký hiệu là xác suất giải mã ký hiệu uˆ tại đầu ra bộ giải mã chứa lỗi (khác biệt so với ký hiệu truyền u). Tỷ lệ lỗi bit là xác suất thông tin được giải mã ở đầu ra bộ giải mã khi bị lỗi. Tỉ lệ lỗi bit cũng có thể coi là một thông số cải thiện hiệu suất kênh truyền. Đối với mạng cảm biến không dây, mã hóa tốt nhất là tỉ lệ lỗi bit phải ở mức thấp, nhưng vấn đáp ứng được các yêu cầu về công suất tiêu thụ và độ phức tạp khi giải mã.
Việc thực hiện thiết kế khối mã hóa, và khối giải mã cho lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.15.4 phải đảm bảo xác suất lỗi khi giải mã phải là thấp nhất, chi phí ở mức chấp nhận được và công suất tiêu thụ hiệu quả tiết kiệm. Kết nối không dây giữa hai nút mạng trong mạng cảm biến không dây có thể được coi là hệ truyền tin đơn giản, vì vậy có thể áp dụng mã sửa lỗi để cải thiện và tăng cường mức độ tin cậy cho hệ truyền tin này.