Hiệu quả của việc kết hợp xáo trộn và mã hóa trong hệ thống truyền dẫn vô tuyến

Trần Anh Thắng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 121 - 125 121 HIỆU QUẢ CỦA VIỆC KẾT HỢP XÁO TRỘN VÀ MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN Trần Anh Thắng*, Phan Thanh Hiền Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Môi trường truyền dẫn của hệ thống thông tin vô tuyến rất phức tạp và có rất nhiều các yếu tố ảnh hưởng như fading, suy hao..., làm cho chất lượng cũng như độ tin cậy của hệ thống suy giảm. Phương pháp mã hóa kênh (mã hóa sửa lỗi hướng đi) là một kỹ thuật để nâng cao chất lượng của hệ thống, nhưng nếu ta kết hợp thêm những kỹ thuật khác sẽ cho phép nâng cao hơn nữa khả năng truyền dẫn. Bài báo này trình bày về hệ thống truyền thông số qua môi trường truyền dẫn vô tuyến có fading Rayleigh, các kỹ thuật xáo trộn và hệ thống sử dụng kỹ thuật mã hóa kết hợp với xáo trộn bít, thực hiện mô phỏng hệ thống để khẳng định việc kết hợp mã hóa và xáo trộn sẽ nâng cao hiệu quả của hệ thống truyền dẫn vô tuyến. Từ khóa: Mã hóa kênh, xáo trộn, truyền dẫn vô tuyến, kết hợp mã hóa và xáo trộn, kênh Rayleigh. GIỚI THIỆU CHUNG* Trong tất cả các hệ thống thông tin, hai tiêu chí quan trọng cần hướng tới là nhanh chóng và chính xác, nghĩa là khi thiết kế, xây dựng hay vận hành một hệ thống thông tin, vấn đề cần phải quan tâm hàng đầu là tốc độ truyền tin và khả năng kiểm soát lỗi thông tin. Các hệ thống thông tin thực tế thường có kênh truyền với băng thông giới hạn, làm hạn chế tốc độ truyền và bên cạnh đó, các loại tạp nhiễu (tạp âm Gauss, fading, ...) gây méo tín hiệu, có thể dẫn đến gây lỗi thông tin. Đấy là những nhân tố làm ảnh hưởng xấu đến các tiêu chí nói trên [1]. Chính vì vậy các nghiên cứu để khắc phục các ảnh hưởng không mong muốn do kênh truyền, do thiết bị nhằm mục đích nâng cao tốc độ cũng như độ tin cậy đã được đề ra. Một trong những biện pháp dùng để kiểm soát lỗi bit, tăng độ tin cậy của thông tin nhận được tại đầu thu của hệ thống thông tin là dùng mã chống nhiễu (chống lại tác động của can nhiễu) hay còn gọi là mã kênh. Tuy nhiên, tính chất điển hình của kênh vô tuyến là fading lựa chọn tần số, khi có hiện tượng fading sâu sẽ gây nên số bít lỗi xuất hiện thành một cụm, được gọi là lỗi cụm. Trong các hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật truyền phát OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), nhìn chung là các sóng mang phụ của tín hiệu OFDM thường có * Tel: 0913 567770, Email: trananhthang@tnut.edu.vn biên độ khác nhau, vì thế khi có hiện tượng fading sâu ở trong phổ tần có thể gây nên mất khả năng tái tạo một nhóm các sóng mang phụ, điều đó cũng gây nên lỗi cụm. Hầu hết các mã sửa lỗi trước (FEC: Forward Error Correction) chỉ sửa được một số ít lỗi mà không thể sửa được các lỗi cụm. Do đó, để khắc phục tác động của fading, có thể dùng phương pháp phân tập thời gian bằng cách sử dụng bộ xáo trộn (interleaver). Dãy bit truyền được xáo trộn ngẫu nhiên tại đầu phát, các cụm lỗi do fading gây nên sẽ được phân tán ra thành các lỗi đơn nhờ bộ giải xáo trộn tại đầu thu, hoạt động theo quy tắc ngược lại với bộ xáo trộn ở đầu phát. Chính vì vậy, việc kết hợp mã hóa với xáo trộn cho hệ thống vô tuyến sẽ nâng cao được độ tin cậy của tuyến truyền dẫn. HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SỐ VỚI MÃ HÓA KÊNH VÀ XÁO TRỘN Hệ thống thông tin số với mã hóa kênh. Hình 1 mô tả hệ thống thông tin số đơn giản. Thông tin đầu vào dạng số hay tương tự (cần đưa qua bộ biến đổi A/D) tới bộ mã hoá nguồn, có chức năng cắt bỏ các bit dư thừa hay nén thông tin nhằm giảm độ rộng phổ của dãy bit ut đưa tới bộ mã hoá kênh. Bộ mã hoá kênh tạo dãy bit mã ct bằng cách thêm các bit kiểm tra để phát hiện lỗi và sửa lỗi tại đầu thu. Sau đó bộ điều chế sẽ tạo các tín hiệu dạng sóng để có thể truyền qua kênh thông tin. Tại đầu thu, thực hiện các quá trình ngược Trần Anh Thắng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 121 - 125 122 lại với đầu phát. Tín hiệu thu từ kênh truyền qua bộ giải điều chế thành dãy bit ˆtc đưa tới bộ giải mã kênh, dấu mũ ở đây thể hiện rằng trong đó có thể một số bít bị lỗi do tác động của nhiễu trên kênh truyền. Nhờ có bộ giải mã kênh, dãy bit ˆ tu tại đầu ra có tỉ lệ lỗi bit (BER) nhỏ hơn so với BER của dãy ˆtc . Sau đó qua bộ giải mã nguồn thành dạng thông tin đưa tới bộ nhận tin. Kênh truyền là môi trường vật lý cho phép truyền tín hiệu từ đầu phát đến đầu thu. Do tác động của nhiễu tạp trên đường truyền, tín hiệu đến đầu thu thường bị méo dẫn tới hậu quả là dãy bit thu có thể bị lỗi, tức là dãy bit ra ˆ tu có thể khác so với dãy bit vào ut ở một số vị trí bit. Các yếu tố tác động gây méo tín hiệu điển hình là nhiễu AWGN và fading. Khi chỉ xét tác động của tạp âm AWGN thì kênh truyền được gọi là kênh AWGN hay kênh Gauss vì đây là tạp âm có hàm mật độ xác suất phân bố chuẩn (phân bố Gauss). Hệ thống thông tin số dùng mã hóa kênh kết hợp với xáo trộn. Trong sơ đồ này, các bít đầu ra của máy mã nhị phân (dãy tc ) sẽ được xáo trộn vị trí (thành dãy tv ) trước khi ánh xạ vào tập tín hiệu S. Tín hiệu truyền là một tín hiệu phức ( )µ=t ts v trong không gian tín hiệu S đã cho. Ở đây, hàm µ thể hiện quy tắc ánh xạ giữa tập các nhóm m bit với tập các điểm trong chòm sao tín hiệu. Ở đầu thu, tín hiệu nhận được là = +t t t tr h s n , trong đó th là hệ số fading. Giả thiết kênh fading chậm thì th không đổi trong suốt khoảng thời gian một symbol (nên có thể bỏ chỉ số t ) và có thể ước lượng được hệ số này tại đầu thu. tn là tạp âm Gauss trắng chuẩn cộng tính, có mật độ phổ công suất một bên là 0N . Tại phía thu, sau khi giải điều chế, chuỗi bít sẽ được giải xáo trộn trước khi giải mã tín hiệu. CÁC KỸ THUẬT XÁO TRỘN BÍT (INTERLEAVING) Xáo trộn là việc sắp xếp có chu kỳ ký tự (hoặc bít) được truyền (L). Các ký tự (bit) tương ứng được sắp xếp lại bởi các bộ giải xáo trộn tại phía thu. Xáo trộn được sử dụng để phân tán các lỗi cụm, khi các cụm lỗi được tách biệt một khoảng cách dài đối với chu kỳ của bộ xáo trộn, chúng có thể được phân bố đồng đều hơn theo thời gian (hay rộng hơn kích thước) bởi các bộ giải xáo trộn tại phía thu. Sự phân bố của các lỗi cho khả năng hiệu quả đối với mô hình thực tế của các bộ mã hóa đầu vào (mã turbo) và mã hóa kênh như mô hình kênh không nhớ (BSC: Binary Symmetric Channel - kênh nhị phân đối xứng, DMC: Discrete Memoryless Channel - kênh rời rạc không nhớ) hoặc kênh khác mà kết quả ký tự đầu ra là độc lập với nhau (kênh không nhớ). Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống thông tin số đơn giản Hình 2: Hệ thống thông tin số kết hợp xáo trộn Định nghĩa 1: (Chiều sâu của xáo trộn) chiều sâu J của một xáo trộn được định nghĩa là sự tách biệt tối thiểu giữa bất kỳ hai ký tự tại đầu ra của xáo trộn mà tại đầu vào của xáo trộn đó, chúng là 2 ký tự liền kề nhau. Độ sâu của một xáo trộn có ý nghĩa quan trọng đối với cụm các lỗi tại đầu vào của bộ giải xáo trộn tại phía thu. Nếu một cụm lỗi có khoảng thời gian ít hơn so với độ sâu, thì 2 ký tự bị ảnh hưởng bởi cụm lỗi đó không thể liền kề nhau sau khi giải xáo trộn. Trần Anh Thắng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 121 - 125 123 Định nghĩa 2: (Chu kỳ của một xáo trộn) Chu kỳ L của một xáo trộn là khoảng thời gian ngắn nhất mà các thuật toán sắp xếp lại được sử dụng lặp đi lặp lại ở các bộ xáo trộn. Về cơ bản, chu kỳ được thiết lập bằng cách mô tả chi tiết của bộ xáo trộn và thước đo chiều dài của một khối các ký hiệu đầu vào mà bộ xáo trộn được áp dụng. Bộ xáo trộn hoạt động lặp lại với cùng một thuật toán dựa trên các khối một cách lần lượt của L ký tự. Thường kỳ chu kỳ của bộ xáo trộn được chọn là bằng với chiều dài khối của một mã hóa đầu ra khi các mã khối được sử dụng trong kết nối nối tiếp. Xáo trộn khối (block interleaving) Đối với xáo trộn khối, các bít đầu vào xáo trộn thường được tổ chức thành một khối ghi vào bộ đệm (hình 3), ở đó các bít đầu vào được viết vào lần lượt từng cột còn tại đầu ra thì các bít được đọc thành từng hàng. Bảng dưới đây là một ví dụ trong việc xáo trộn bít. Các bít đầu vào (khối 16 bít) được lần lượt viết vào từng cột, tại đầu ra các bít được đọc theo hàng lần lượt là: 0, 4, 8, 12, 1, 5, 9, 13, 2, 6, . Chiều sâu bộ xáo trộn này là J = 4. Chu kỳ L = 4×4 = 16. 0 4 8 12 1 5 9 13 2 6 10 14 3 7 11 15 Hình 3: Bộ đệm dùng để ghi và đọc trong xáo trộn khối Bộ giải xáo trộn được đặt ở phía thu và nhận các bít đưa đến từ bộ giải điều chế và viết chúng vào các bộ đệm theo nguyên tắc ngược với bộ xáo trộn: ghi vào theo hàng và đọc ra theo cột. Bộ xáo trộn này đôi khi được gọi là bộ xáo trộn khối cổ điển. Đối với bộ xáo trộn khối cổ điển, một cụm của các ký tự bị lỗi B sẽ được phân bố khá đồng đều trên J khối ký tự bởi quá trình giải xáo trộn tại máy thu. Nếu đây là chỉ là cụm lỗi trong tổng số L ký tự nhận được và độ dài khối ký tự là bằng với chiều dài của một từ mã cho một mã khối, khi đó bộ giải mã đầu ra với giải mã quyết định cứng có thể sửa được khoảng J các ký hiệu bị lỗi. Nếu chiều sâu J càng lớn đồng nghĩa với bộ nhớ cần lớn hơn và độ trễ lớn hơn nhưng hiệu quả lại đạt được nhiều hơn. Xáo trộn xoắn (Convolutional Interleaving) Xáo trộn xoắn là kỹ thuật sử dụng các khâu trễ trong việc tạo các dãy xáo trộn, vì vậy nó luôn có ít nhất một khâu trễ trong truyền dẫn. So với xáo trộn khối, xáo trộn xoắn có thể cho phép giảm sự trễ (do quá trình ghi và đọc vào/ra bộ nhớ) và số lượng của bộ nhớ cho việc hoạt động với một độ sâu J đã cho. Bộ xáo trộn xoắn còn được gọi là bộ xáo trộn tam giác cho các trường hợp đặc biệt của xáo trộn xoắn, khi các phần tử trễ D được sắp xếp là một ma trận đường chéo tăng hoặc giảm như được minh họa tại hình 4. Các phần tử trễ D (hoặc các bộ nhớ) được tổ chức trong một cấu trúc hình tam giác ở cả bộ xáo trộn và bộ giải xáo trộn. Các ký tự (hoặc bit) sẽ đi vào bộ xáo trộn tam giác từ bên trái với các ký tự nối tiếp được định vị theo chu kỳ tới mỗi 1 trong 3 đường. Chuyển mạch đầu vào và chuyển mạch đầu ra cho việc xáo trộn được đồng bộ, vì vậy ở vị trí trên cùng, ký tự sẽ được truyền ngay lập tức đến đầu ra, nhưng tại vị trí thứ 2, ký tự sẽ được giữ lại một nhịp và sẽ được truyền ra tại nhịp tiếp theo. Cuối cùng, các ký tự hàng dưới cùng trải qua hai khâu trễ trước khi tới đầu ra chuyển mạch. Bộ giải xáo trộn hoạt động theo cách tương tự, nhưng với các ký tự không bị giữ chậm tại phía phát thì lại được giữ chậm 2 nhịp tại phía thu, các ký tự ở giữa (thứ 2) vẫn được giữ chậm 1 nhịp và ký tự ở dưới cùng (được giữ chậm 2 nhịp tại phía phát) thì không bị giữ chậm tại phía thu. Rõ ràng tất cả các ký tự sau khi trải qua hai bộ xáo trộn và giải xáo trộn đều được giữ chậm 2 chu kỳ. Bất kỳ ký tự liên tiếp tại đầu vào đều có ít nhất 3 ký tự từ các khối khác của các đầu vào khác chen vào giữa như minh họa trong hình 4 và ta có chiều sâu là J = 4. Bộ xáo trộn tam giác đòi hỏi chỉ nhiều nhất là 1/4 bộ nhớ và chính xác là 1/2 khâu trễ so với bộ xáo trộn khối cổ điển. Trong bộ xáo trộn hình tam giác, chu kỳ L có thể được thiết lập bằng với chiều dài từ mã. Chu kỳ này không dài bằng giá trị của K và J là trong xáo trộn khối. Vì chu kỳ ngắn hơn, việc đồng bộ hóa cho xáo trộn xoắn đòi hỏi ít hơn xáo trộn khối. Trần Anh Thắng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 121 - 125 124 Hình 4: Xáo trộn và giải xáo trộn xoắn. Xáo trộn ngẫu nhiên Mục tiêu chính của xáo trộn ngẫu nhiên là để tạo ra một khối rất dài cho mã kết nối nối tiếp khi được xem như là một mã duy nhất. Các mã được lựa chọn ngẫu nhiên, miễn là chiều dài khối là rất dài, thường có thể bằng dung lượng. Xáo trộn ngẫu nhiên sẽ thiết lập các phần tử ngẫu nhiên trong thiết kế mã để không là gia tăng độ phức tạp, mô phỏng sử dụng giải mã lặp của hai mã xen kẽ. Số lượng các cách thiết kế chủ yếu là giảm chiều dài từ mã, độ dài bộ xáo trộn và mô hình của các sự kiện lỗi có khoảng cách thấp sẽ chỉ có thể xảy ra khi hai mã là thích hợp trong mã turbo sẽ được giới thiệu ở bài báo khác. Phần này chỉ trình bày kỹ thuật xáo trộn. Bộ xáo trộn giả ngẫu nhiên Bộ xáo trộn giả ngẫu nhiên sử dụng các chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên (PRBS- pseudo- random binary sequence). Chuỗi này được dựa trên một lý thuyết đa thức có độ dài cực đại. Bậc ν của đa thức được chọn để với số học nhị phân nó là số nguyên tố. Mạch như vậy (nếu khởi tạo với một điều kiện ban đầu khác không) sẽ tạo ra một chuỗi định kỳ 2ν - 1 mà như vậy, nhất thiết phải bao gồm tất cả các mẫu nhị phân khác không có chiều dài ν bít. Chu kỳ của bộ xáo trộn có thể không lớn hơn so với chu kỳ của PRBS. Bộ xáo trộn giả ngẫu nhiên sử dụng một PRBS để xác định vị trí đầu ra của mỗi ký hiệu (hay bít) đầu vào. Vì vậy, mỗi bit đầu ra tiếp theo của PRBS kết hợp với ν-1 ký tự cuối cùng, như vậy các bít (bít thứ k của đầu vào bộ xáo trộn) cụ thể đó sẽ được xác định một địa chỉ (π (k)) khi ra khỏi bộ xáo trộn. Nếu một địa chỉ vượt quá chu kỳ của bộ xáo trộn (khi L < 2ν-1), khi đó nó được loại bỏ trước khi sử dụng, và mạch PRBS sẽ quay vòng trở lại. Bộ giải xáo trộn có thể tạo chuỗi giống bộ xáo trộn, nó trích xuất ký tự thứ (π (k)) và khôi phục nó vào vị trí k. Rõ ràng, xáo trộn giả ngẫu nhiên tương ứng với khối xáo trộn, trừ khi chu kỳ chính xác là L = 2ν - 1, trong trường hợp này, cấu trúc có thể có việc thực hiện thay thế với hệ không nhớ và có trễ. CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. Các kết quả mô phỏng được thực hiện với kỹ thuật xáo trộn khối (chiều sâu J=8 và chu kỳ L bằng độ dài chuỗi mô phỏng) và xáo trộn xoắn (với 8 hàng hay J=9, L bằng độ dài chuỗi mô phỏng) kết hợp với mã xoắn tốc độ ½ và tốc độ 2/3 với điều chế 16QAM và kênh truyền fading Rayleigh theo mô hình Jakes [3] với cách thực hiện mô phỏng được thực hiện như trong [4] với thông số là 35 tia, thời gian tồn tại xung Ts=10-5s, tần số doppler fD = 10Hz. Các kết quả mô phỏng cho tại hình 5 để đánh giá nguyên lý truyền dẫn với điều chế 16QAM qua kênh fading Rayleigh và khi sử dụng mã kênh với tốc độ mã hóa ½ và tốc độ 2/3. Hình 5: Hệ thống với mã xoắn tốc độ ½ và tốc độ 2/3. Hình 6 thể hiện việc kết hợp xáo trộn khối kết hợp với mã kênh có tốc độ mã hóa 1/2 và 2/3; hình 7 thể hiện việc kết hợp xáo trộn xoắn kết hợp với mã kênh có tốc độ mã hóa 1/2 và 2/3 cùng các thông số truyền dẫn như nhau. Hình 6: Hệ thống kết hợp xáo trộn khối với mã xoắn 0 5 10 15 20 25 30 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 EbNo BE R Simulation 16QAM over Rayleigh Channel: Theory and coding Coderate=1/2 Coderate=2/3 Theory 0 5 10 15 20 25 30 10-6 10-5 10 -4 10 -3 10 -2 10-1 100 EbNo BE R Simulation 16QAM over Rayleigh Channel with Interleaver and coding Coderate=1/2 Coderate=2/3 Coderate=1/2, Block Interleaving Coderate=2/3, Block Interleaving Trần Anh Thắng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 121 - 125 125 Hình 7: Hệ thống kết hợp xáo trộn xoắn với mã xoắn KẾT LUẬN Các kết quả mô phỏng cho ta thấy, khi tỷ số Eb/No đạt giá trị nhất định thì các kết quả khi sử dụng mã hóa tốt hơn nhiều so với không mã hóa và kết quả mã hóa có tốc độ 2/3 đạt kết quả càng tốt khi tỷ số Eb/No càng cao. Khi kết hợp mã hóa và xáo trộn, kết quả mô phỏng phản ánh đúng cơ sở lý thuyết và các đánh giá ban đầu của bài báo đó là khi kết hợp mã hóa và xáo trộn sẽ cho kết quả tốt hơn khi chỉ có mã hóa. Kết quả mô phỏng khi kết hợp xáo trộn và mã hóa cho thấy hiệu quả kết hợp thể hiện vượt trội đối với tốc độ mã hóa ½. Bài báo thể hiện một hệ thống thông tin số sử dụng mã hóa kênh để tăng độ tin cậy của đường truyền qua kênh vô tuyến có fading Rayleigh, môi trường phức tạp nhất trong truyền thông vô tuyến, và kết hợp giữa mã hóa và xáo trộn bít cho phép nâng cao chất lượng truyền dẫn. Trong hệ thống truyền dẫn, việc kết hợp giữa mã hóa, xáo trộn đã thể hiện ở trên cho thấy chất lượng được cải thiện rõ so với khi không kết hợp. Nếu kết hợp giữa xáo trộn, mã hóa và điều chế sẽ cải thiện hơn nữa chất lượng của hệ thống và nội dung đó sẽ được tác giả trình bày trong một bài báo khác. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Viterbi, “Approaching the Shannon limit: Theorist’s dream and practitioner’s challenge,” in Proc. 2nd Eur. Workshop on Mobile/Personal Satcoms, London, U.K., 1996, pp. 1–11. [2]. S. Lin, J. Daniel, and J. Costello, Error control coding. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall, Inc., 1983 [3]. W.C.Jakes, Microwave Mobile Communications. Piscataway, NJ: IEEE Press,1994. [4]. Trần Xuân Nam, Mô phỏng các hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng matlab, Học viện Kỹ thuật Quân sự. SUMMARY THE EFFECT OF THE COMBINATION OF ENCODE AND INTERLEAVING IN WIRELESS TRANSMISSION SYSTEM Tran Anh Thang*, Phan Thanh Hien College of Technology - TNU Environmental transmission of radio communication systems are complex and there are many factors affecting such as fading, attenuation, etc.., making the quality and reliability of the system decreased. Channel coding (FEC: Forward Error Correction) is a technique to improve the quality of the system, but if we incorporate more other techniques will allow more power to be transmitted. This paper presents a digital communication system through radio transmission environment with Rayleigh fading, the interleaving technique and system use encoding techniques combined with bit interleaving and this system is simulated to enhance the effectiveness of wireless transmission systems. Keywords: channel coding, interleaving, wireless transmission, the combination of encode and interleaving, Rayleigh channels. Ngày nhận bài:30/10/2012, ngày phản biện:08/11/2012, ngày duyệt đăng:10/12/2012 * Tel: 0913 567770, Email: trananhthang@tnut.edu.vn 0 5 10 15 20 25 30 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 EbNo BE R Simulation 16QAM over Rayleigh Channel with Interleaver and coding Coderate=1/2 Coderate=2/3 Coderate=1/2, Convolutional Interleaving Coderate=2/3, Convolutional Interleaving