Tóm tắt Luận án Nghiên cứu giải pháp thiết kế và đánh giá hiệu năng mã kênh cho hệ thống thông tin HAP
BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
NGUYỄN THỊ THU HIÊN
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ
HIỆU NĂNG MÃ KÊNH CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN
HAP
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 9.52.02.08
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Công trình hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Lê Nhật Thăng
2. PGS.TS. Nguyễn Thúy Anh
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
vào hồi:
Có thể tìm hiểu luận án tại:
1. Thư viện Quốc gia Việt Nam
2. Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
BÀI BÁO KHOA HỌC
[J1]
[J2]
[J3]
Hien Nguyen Thu, Hung Nguyen Viet, Thang Le Nhat, Channel capacity for High
Altitude Platform stations employing coherent detection, Tạp chí nghiên cứu khoa
học và công nghệ Quân sự, Số 46, 12/2016, tr. 36-42.
Nguyen Thu Hien, Nguyen Viet Hung, Vu Van San, Le Nhat Thang, Design of a
near-capacity channel code for High Altitude Platform systems, Tạp chí nghiên cứu
khoa học và công nghệ Quân sự, Số 52, 12/2017, tr. 52-59.
Hien Thi Thu Nguyen, Hung Viet Nguyen, Thang Nhat Le, Performance Upper
Bounds of High Altitude Platform Systems over a Two-State Switched Channel,
International Journal of Applied Engineering Research, ISSN 0973-4562, Volume
13, Number 18 (2018), pp. 13932-13939.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC
[C1] Hien Thi Thu Nguyen, Hung Viet Nguyen, Thang Nhat Le, Design of Near-
Capacity Channel Codes for High Altitude Platform Systems over a Two-State
Switched Channel Model, Hội nghị quốc gia lần thứ 21 về Điện tử, Truyền thông và
CNTT (REV-ECIT), 2018.
CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN
[J1]
Nguyễn Thu Hiên, Lê Nhật Thăng, Vũ Thúy Hà, Phân tích hiệu năng mã kênh sử
dụng kỹ thuật đường biên, Tạp chí CNTT&TT – số chuyên san Đại học Thái Nguyên,
Tập 116, số 02, 2014, tr. 51-56.
[J2] Nguyễn Thu Hiên, Lê Nhật Thăng, Nguyễn Thúy Anh, Nghiên cứu ứng dụng biểu
đồ EXIT trong phân tích và thiết kế các hệ thống giải mã lặp, Tạp chí nghiên cứu
khoa học và công nghệ Quân sự, Số 41, 10/2015, tr. 50-56.
[J3]
Nguyen Thu Hien, Vu Van San, Nguyen Viet Hung, Channel capacity of High
Altitude Platform systems: Case Study, Jounal of Information and
A
Communication: Ministry of Information and Communications, Vol. E-3, No. 14, p.
54–60, 2017.
[J4]
Nguyen Thu Hien, Vu Van San, Nguyen Viet Hung, Channel capacity for High
Altitude Platform Systems employing non-coherent detection, Jounal of Science and
Technology: Technical Universities , No. 121/2017, p. 41-47.
1
MỞ ĐẦU
Trong lĩnh vực thông tin vô tuyến hiện nay, ngoài hai đại diện cơ
bản và đã có những ưu thế nhất định là thông tin vô tuyến mặt đất và thông
tin vệ tinh, thì trong những năm gần đây một giải pháp thông tin vô tuyến
mới đã thu hút sự quan tâm của nhiều nước, nhiều tổ chức trên thế giới
trong việc thiết kế, phát triển và triển khai thử nghiệm đó là: giải pháp
thông tin sử dụng thiết bị bay. Trong giải pháp thông tin này, thiết bị bay
(máy bay không người lái, máy bay nhỏ hoặc tàu bay) sẽ được sử dụng cho
nhiều mục đích ứng dụng khác nhau bao gồm thông tin quân sự, theo dõi,
giám sát, viễn thông, cung cấp vật tư y tế và các hoạt động cứu hộ. Tùy
thuộc vào độ cao hoạt động mà thiết bị bay có thể là hạ tầng trên không tầm
cao (HAP) hay hạ tầng trên không tầm thấp (LAP). Các HAP thường hoạt
động trên không ở độ cao trên 17 km (độ cao của tầng bình lưu) và gần như
cố định. Còn các LAP thường hoạt động trên không ở độ cao vài km, di
chuyển nhanh và triển khai linh hoạt.
Khi được triển khai và vận hành đúng cách, HAP sẽ là một giải
pháp thông tin vô tuyến hiệu quả và đáng tin cậy cho nhiều ứng dụng thực
tế. Cụ thể, HAP có thể được sử dụng để thay thế một trạm gốc ở trên không
cung cấp thông tin liên lạc vô tuyến. Mặt khác, HAP có thể hoạt động như
thiết bị người dùng ở trên không (UE), được gọi là HAP di động, cùng tồn
tại với thiết bị thu phát mặt đất. Hơn nữa, với độ cao có thể điều chỉnh,
HAP cho phép thiết lập hiệu quả các đường truyền tín hiệu trực tiếp (LOS),
do đó giảm thiểu suy hao và che khuất tín hiệu. Với những lợi thế như vậy,
giải pháp thông tin HAP sẽ tạo ra cơ hội sử dụng các ứng dụng thông tin
với giá thành hợp lý, thu hẹp khoảng cách về phát triển viễn thông giữa các
nước phát triển và các nước đang phát triển, đóng góp vào sự phát triển của
cách mạng công nghiệp 4.0.
Cũng như các hệ thống thông tin vô tuyến, hệ thống thông tin HAP
vô tuyến (gọi tắt là hệ thống HAP) cũng chịu những ảnh hưởng của môi
trường truyền lan vô tuyến làm cho đặc tính của kênh truyền tín hiệu chịu
ảnh hưởng của hiện tượng pha-đinh, đặc biệt là hiện tượng pha-đinh đa
đường, ngay cả khi hoạt động ở dải băng tần Ka. Để giảm thiểu ảnh hưởng
của pha-đinh đa đường, một trong những giải pháp hiệu quả và bền vững là
sử dụng mã kênh. Chính vì vậy, đối với hệ thống HAP, một số loại mã
kênh như mã chập liên kết song song (PCCC), mã chập liên kết nối tiếp
(SCCC), mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC), mã chập liên kết nối tiếp
với mã Reed Solomon, cũng đã được đề xuất sử dụng. Tuy nhiên, trong các
nghiên cứu về mã kênh cho hệ thống HAP chỉ tập trung vào việc đánh giá
hiệu năng mã kênh qua tham số là tỷ số lỗi bit (BER) hoặc tỷ số lỗi khung
2
(FER) mà không có đánh giá nào về hiệu năng tiếp cận dung lượng kênh.
Trong khi đó, hiệu năng tiếp cận dung lượng kênh lại được xem như là một
trong những tiêu chí thiết kế và đánh giá hiệu năng mã kênh trong các hệ
thống thông tin. Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu giải pháp thiết kế và
đánh giá hiệu năng mã kênh cho hệ thống thông tin HAP” là một trong
những hướng nghiên cứu có tính thời sự và có ý nghĩa khoa học sâu sắc.
Từ những khảo sát và phân tích ở trên, mục tiêu nghiên cứu của
luận án là nghiên cứu thiết kế mã kênh tiếp cận dung lượng kênh cho hệ
thống HAP qua một số mô hình kênh truyền HAP điển hình. Từ đó xây
dựng mô hình giải tích để đánh giá hiệu năng của mã kênh tiếp cận dung
lượng kênh.
Để đạt được mục tiêu nêu trên, các nhiệm vụ cụ thể cần phải giải
quyết bao gồm: (1) nghiên cứu thiết lập các đường biên dung lượng kênh
của hệ thống HAP qua ba mô hình kênh HAP điển hình; (2) nghiên cứu đề
xuất và thiết kế mã kênh tiếp cận dung lượng kênh cho hệ thống HAP; (3)
nghiên cứu xây dựng mô hình giải tích xác định đường biên xác suất lỗi để
đánh giá hiệu năng mã kênh sử dụng cho hệ thống HAP.
Từ các nhiệm vụ nghiên cứu trên, phương pháp nghiên cứu của luận án
là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng. Cụ thể là, phương pháp
nghiên cứu lý thuyết được sử dụng cho các nghiên cứu về nguyên lý hoạt
động của các phần tử trong hệ thống HAP. Phương pháp tính toán số kết
hợp với công cụ phần mềm mô phỏng được sử dụng để trong việc thiết lập
đường biên dung lượng kênh, thiết kế mã kênh tiếp cận dung lượng kênh và
xây dựng mô hình giải tích đánh giá hiệu năng mã kênh cho hệ thống HAP.
Cuối cùng là các nhận xét, đánh giá dựa trên các kết quả đạt được, đưa ra
các khuyến nghị.
Luận án được bố cục thành bốn chương với nội dung như sau:
Chương 1.Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2. Dung lượng kênh của hệ thống HAP
Chương 3. Thiết kế mã kênh tiếp cận dung lượng cho hệ thống HAP
Chương 4. Xây dựng mô hình giải tích xác định đường biên xác suất
lỗi cho hệ thống HAP
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. HẠ TẦNG TRÊN KHÔNG TẦM CAO
1.1.1. Giới thiệu chung
Theo tổ chức vô tuyến thế giới, HAP được định nghĩa như sau:
“HAP là một trạm được đặt trên một vật thể ở độ cao từ 20 km đến 50 km
và tại điểm cố định, danh định, xác định tương đối so với trái đất”.
3
Các dịch vụ viễn thông được cung cấp bởi hệ thống HAP bao gồm
các dịch vụ băng rộng, các dịch vụ khẩn cấp và các dịch vụ truyền hình.
Ngoài ra, HAP có thể cung cấp tốt các dịch vụ có sẵn ở cả hai hệ thống
thông tin vô tuyến mặt đất và vệ tinh.
Hình 1.1 cũng thể hiện các kịch bản kết nối hệ thống HAP với hạ
tầng viễn thông hiện có như vệ tinh, trạm gốc, trạm mặt đất,… ngoài kết
nối liên HAP, để cung cấp các dịch vụ viễn thông.
Vệ tinh
HAP
HAP khác
Trạm mặt
đất
Hình 1. 1. Hệ
thống HAP được
triển khai ở độ
cao 17~22km
17-22 Km
Mạng cố định
Người sử
Các ô
dụng
Vùng phủ HAPS
200 Km
Trong những năm gần đây, một số dự án nghiên cứu triển khai hệ
thống HAP tiêu biểu có thể kể đến như: dự án Sky Station ở Bắc Mỹ, dự án
HALO-Proteus của Tập đoàn Công nghệ Thiên thần Hoa Kỳ, Dự án
CAPANINA của Ủy ban Liên minh châu Âu, dự án Project Loon của
Google và dự án máy bay không người lái phát Internet của Facebook,...
Để ứng dụng và triển khai hệ thống HAP thành công trong thực tế,
một số thách thức quan trọng đối với hệ thống HAP như vị trí thông tin tối
ưu, thời gian bay, vấn đề bảo mật, can nhiễu, kết nối với hạ tầng viễn thông
hiện có, năng lượng hoạt động,... cần phải được giải quyết. Đặc biệt là việc
đảm bảo thông tin tin cậy giữa HAP và các thiết bị thu phát mặt đất. Trong
khi đó điều này cũng phụ thuộc nhiều vào ảnh hưởng của hiện tượng pha-
đinh (đặc biệt là pha-đinh đa đường): liên quan đến môi trường truyền sóng,
vị trí của thiết bị mặt đất (góc ngẩng). Do vậy, khi thiết kế các hệ thống
thông tin dựa trên HAP, cần có những giải pháp và đánh giá được những
tác động của các tham số thiết kế như: tỷ số tín hiệu trên tạp âm, phương
thức điều chế, mức điều chế, mã kênh sử dụng, tỷ lệ mã, … đến chất lượng
của hệ thống như tỷ số lỗi bit (BER), tỷ số lỗi khung (FER),...
4
1.2. MÃ HÓA KÊNH
Như bàn luận trong phần 1.1, một trong những ảnh hưởng chính
của sự suy giảm chất lượng tín hiệu thu trong kênh truyền HAP cũng như
chất lượng của hệ thống HAP là hiện tượng pha-đinh đa đường. Để giải
quyết hiện tượng này, một số giải pháp kỹ thuật có thể kể đến như: điều
khiển công suất, phân tập, các phương pháp điều chế mã hóa thích ứng,…
Trong số đó, giải pháp kỹ thuật truyền thống linh hoạt và bền vững thường
được sử dụng là giải pháp sử dụng mã kênh theo cơ chế sửa lỗi hướng đi
(FEC). Mã kênh và cơ chế mã hóa kênh không chỉ cần có các đặc tính
mạnh về khả năng phát hiện và sửa lỗi, mà chúng còn phải đảm bảo hiệu
năng tiếp cận dung lượng kênh.
Các mã kênh theo cơ chế FEC bao gồm mã dạng sóng và mã chuỗi
có cấu trúc. Mã chuỗi có cấu trúc có thể chia thành ba loại: mã khối, mã
chập và mã liên kết. Trong đó, các mã liên kết, được xây dựng từ các mã
khối và/hoặc mã chập, sử dụng giải mã lặp, cho phép tạo ra các mã có xác
suất lỗi giảm theo hàm mũ ở tốc độ nhỏ hơn dung lượng kênh, trong khi độ
phức tạp chỉ tăng cấp đại số. Mã Turbo và mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp
(LDPC) là những mã cho hiệu năng tiếp cận dung lượng kênh. Từ đó, các
mã liên kết khác cũng được đề xuất như mã chập liên kết song song
(PCCC) , mã chập liên kết nối tiếp (SCCC) cũng cho thấy độ lợi mã hóa
tương tự. Những mã này có hai đặc điểm chung là: (1) sử dụng bộ đan xen
(bộ ngẫu nhiên) trong cấu trúc mã; (2) sử dụng kỹ thuật giải mã lặp đầu vào
mềm - đầu ra mềm (SISO) cho hiệu năng BER gần với hiệu năng BER của
bộ giải mã tối ưu. Tuy nhiên, SCCC cho hiệu năng BER tốt hơn so với
PCCC ở vùng SNR lớn do hiện tượng sàn lỗi thấp hơn, khoảng cách tự do
(dfree) của SCCC lớn hơn so với PCCC. Để đạt được hiệu năng tiếp cận
dung lượng kênh, các mã chập không đều (IrCC) đã được đề xuất sử dụng
trong cấu trúc của SCCC.
1.3. CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÃ KÊNH
-
-
-
-
-
-
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR)
Tỷ số năng lượng bit trên mật độ tạp âm (Eb/N0)
Tỷ số lỗi bit (BER)
Tỷ số lỗi khung (FER)
Độ lợi mã hóa (Gc)
Tiếp cận dung lượng kênh (dDCMC
)
1.4. CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN, NHẬN XÉT VÀ
HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
1.4.1. Các công trình nghiên cứu liên quan và nhận xét
1.4.2. Hướng nghiên cứu của luận án
5
1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Nội dung của chương một đã thể hiện khái quát về hệ thống HAP
và vai trò của mã hóa kênh nhằm nổi bật các đặc tính riêng biệt của đối
tượng quan tâm nghiên cứu. Những yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chất
lượng của hệ thống HAP cho thấy hướng tiếp cận mã hóa kênh là hướng đi
triển vọng trong giải pháp thông tin dựa trên các hệ thống HAP. Đồng thời,
qua khảo sát các nghiên cứu trước đó cho thấy rằng chưa có nghiên cứu nào
về mã kênh sử dụng trong hệ thống HAP bàn luận đến hiệu năng tiếp cận
dung lượng kênh. Vì vậy, mục tiêu hướng đến của luận án: nghiên cứu giải
pháp thiết kế mã kênh tiếp cận dung lượng kênh và đánh giá hiệu năng mã
kênh sử dụng cho hệ thống HAP. Nhìn chung, những nội dung được trình
bày trong chương này tạo nền tảng lý thuyết cho các nội dung nghiên cứu ở
các chương tiếp theo của luận án.
CHƯƠNG 2: DUNG LƯỢNG KÊNH CỦA HỆ THỐNG HAP
2.1. MÔ HÌNH KÊNH HAP
Quá trình thu phát tín hiệu giữa HAP với thiết bị mặt đất sẽ chịu
ảnh hưởng của pha-đinh đa đường. Thông thường, những ảnh hưởng này
thường được đưa về các phân bố thống kê. Vì vậy, các mô hình thống kê
đối với kênh HAP có thể phân chia thành hai loại chính là: các mô hình
kênh thống kê đơn và các mô hình kênh thống kê hỗn hợp. Trong mô hình
kênh thống kê đơn, kênh được đặc tính hóa bởi phân bố thống kê đơn, còn
mô hình kênh thống kê hỗn hợp đề cập đến việc kết hợp (tổng có trọng số)
của một vài phân bố thống kê. Ngoài ra, các phương pháp tiếp cận trong
mô hình kênh HAP còn được phân loại theo mối quan hệ giữa băng thông
truyền dẫn và băng thông kênh truyền là băng hẹp và băng rộng. Trong đó,
các mô hình kênh HAP băng hẹp đề cập đến hiện tượng pha-đinh phẳng,
còn các mô hình kênh HAP băng rộng quan tâm đến hiện tượng kênh có
tính chất chọn lọc tần số.
Sự thăng giáng ngẫu nhiên của đường bao tín hiệu trong kênh HAP
băng hẹp có thể được đưa về hai kiểu pha-đinh cơ bản là: pha-đinh đa
đường và pha-đinh che khuất. Trong đó, pha đinh che khuất được chia
thành pha-đinh che khuất đường tín hiệu trực tiếp (LOS) và pha-đinh che
khuất kép gây những biến động ngẫu nhiên về công suất tổng của các thành
phần đa đường. Kênh HAP pha-đinh đa đường là kênh chịu ảnh hưởng của
pha-đinh đa đường gây ra bởi các thành phần tán xạ qua các đường tín hiệu
gián tiếp (NLOS) cùng với thành phần LOS không bị che khuất. Do đó
đường bao tín hiệu là biến ngẫu nhiên phân bố Rice, với đại lượng đặc
trưng là hệ số Rice K. Hệ số này có sự phụ thuộc vào góc ngẩng
:
K
.
Vì vậy:
6
- Khi 900 K : phân bố Gauss.
0
0
- Khi
: phân bố Rice.
12 ,90
- Khi 120 K 0 : phân bố Rayleigh.
Ngoài ra để mô tả đặc tính động của kênh, các mô hình kênh HAP
chuyển mạch trạng thái đã được nghiên cứu như: kênh HAP chuyển mạch
hai trạng thái (tốt: G và xấu: B) và ba trạng thái,…
2.2. DUNG LƯỢNG KÊNH CỦA HỆ THỐNG HAP
2.2.1. Dung lượng kênh không nhớ đầu vào rời rạc - đầu ra liên tục
Nền tảng của lý thuyết thông tin cho thông tin vô tuyến được thiết
lập bởi Shannon, người đã đưa ra những giới hạn cơ bản về truyền dẫn
thông tin tin cậy. Lý thuyết Shannon đã đưa ra khái niệm về dung lượng
kênh, C, một tham số hiệu năng thiết lập giới hạn trên về lượng thông tin
lớn nhất có thể truyền dẫn tin cậy qua kênh với xác suất lỗi rất nhỏ. Tham
số dung lượng kênh cho phép xác định tốc độ truyền tối đa của kênh mà độ
tin cậy (ở xác suất lỗi bit nhỏ tùy ý) được đảm bảo. Vì vậy, nhiều nghiên
cứu về mã hóa kênh chủ yếu tập trung vào việc tìm ra các mã kênh tốt theo
hướng tiếp cận càng gần với dung lượng Shannon càng tốt như mã turbo và
mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC).
Chính vì vậy, nghiên cứu về dung lượng kênh của hệ thống HAP
khi sử dụng các cơ chế điều chế tách sóng nhất quán nào đó, ngoài việc
giúp đánh giá cân đối giữa dung lượng kênh với độ phức tạp yêu cầu của bộ
thu, còn tạo cơ sở quan trọng trong việc thiết kế và đánh giá hiệu năng tiếp
cận dung lượng kênh của mã kênh cho các hệ thống HAP. Hơn nữa, khi
nghiên cứu về mã kênh trong hệ thống thông tin số, một số khối chức năng
(như điều chế và giải điều chế) có thể được gộp thành một khối chung tạo
thành mô hình kênh kết hợp. Khi mô hình kênh kết hợp có các đầu vào rời
rạc, đầu ra liên tục, cùng xác suất chuyển dịch liên quan giữa đầu vào và
đầu ra có tính chất không nhớ thì kênh được gọi là kênh không nhớ đầu vào
rời rạc, đầu ra liên tục (DCMC). Vì vậy, kênh DCMC và dung lượng
DCMC đã được nghiên cứu trong luận án. Với mô hình DCMC, dung
lượng DCMC (CDCMC) được xác định như sau:
M
M
1
CDCMC log M
2
E log
exp
BPS
(2.1)
m,i
M
2
m1
i1
trong đó, M là số mức điều chế của phương thức điều chế được sử dụng, và
m,i được xác định là:
7
2
2
y ax 2 y ax
a x x n n2j
N
N
ij
N0
.
j
ij
mj
mj
j
j
(2.2)
m,i
N0
j1
j1
cho tín hiệu thu được ở phía thu là: y axm n
Hình 2.1.
Dung lượng
DCMC của
hệ thống
HAP qua
kênh HAP
pha-đinh
Rice,
450
(K=10 dB)
Luận án đã đạt được những kết quả dung lượng DCMC của hệ
thống HAP qua các kênh HAP pha-đinh Rice, Rayleigh, chuyển mạch hai
trạng thái. Trong đó, hình 2.1 là một trong số các kết quả đó cho trường
hợp kênh HAP pha-đinh Rice (K=10 dB), góc ngẩng 450 . Qua đó cho
thấy, khi sử dụng cơ chế điều chế khác nhau sẽ cho CDCMC khác nhau, cụ
thể tại SNR=20 dB, CDCMC tương ứng với M=1,2, 3, 4 và 6 là 1; 2; 2,9; 3,8
và 5 [BPS]. Tuy nhiên, khi M tăng thì xác suất lỗi bit cũng sẽ tăng. Hơn
nữa, với cùng CDCMC, M khác nhau yêu cầu SNR khác nhau.
2.2.2. Xác suất tới hạn
Hình 2. 2. Xác suất
tới hạn (Pout) của
DCMC của hệ thống
HAP qua kênh HAP
pha-đinh Rice,
450 (K=10dB)
Xác suất tới hạn
P
được định nghĩa là xác suất xảy ra sự kiện
out
a 2 SNR SNRr
, thì
P
được biểu diễn như sau:
out
R
8
(2.3)
SNRr
2
PDCMC R,, Pr E a
,
R
out
SNR
Một trong số những kết quả xác suất tới hạn Pout có được qua kênh
HAP pha-đinh Rice, sử dụng cơ chế điều chế QPSK và 16QAM được thể
hiện ở hình 2.2, trong đó Rn R , log2 M là tốc độ thông tin chuẩn hóa.
Các kết quả cho thấy, tại cùng mức SNR và Rn, thì mức điều chế thấp hơn
cho Pout thấp hơn. Hơn nữa, với cùng mức điều chế và Pout, nhưng khi Rn
tăng thì SNR yêu cầu cũng sẽ tăng.
2.2.3. Dung lượng tới hạn
Dung lượng tới hạn được xem xét khi sử dụng HAP cho các ứng
dụng, dịch vụ có ràng buộc về trễ. Dung lượng tới hạn C , được định
nghĩa là tốc độ thông tin R lớn nhất có thể mà vẫn đảm bảo xác suất tới hạn
nhỏ hơn . Nghĩa là:
(2.4)
được thể hiện ở hình 2.3.
Cout , max R : P R,,
out
,
C
Một trong số các kết quả về
Qua đó nhận thấy, với 103 và
dB. Điều này có nghĩa là: nếu giá trị SNRr nhỏ hơn hoặc bằng 30,54 dB, thì
dung lượng tới hạn lớn nhất đạt được là Cout=1,0 [BPS], với xác suất tới
hạn 103 được đảm bảo.
out
C
out
,
=1,0 (BPS), ta có SNR=30,54
Hình 2.3. Dung
lượng tới hạn
DCMC của hệ
thống HAP, điều
chế QPSK qua
kênh HAP pha-
đinh Rice, 450
(K=10dB)
2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Chương hai đã phân tích ba mô hình kênh HAP có xét đến ảnh
hưởng của góc ngẩng. Từ đó thực hiện thiết lập các đường biên dung lượng
DCMC của hệ thống HAP qua các mô hình kênh này. Nhìn chung, các kết
quả về dung lượng DCMC của HAP cho thấy, tại cùng mức SNR, dung
lượng DCMC tăng khi số mức điều chế tăng; và với cùng mức dung lượng
DCMC, số mức điều chế lớn hơn thì SNR yêu cầu thấp hơn. Tuy nhiên, số
9
mức điều chế tăng sẽ làm cho xác suất lỗi bit cũng tăng vì khoảng cách
giữa các điểm tín hiệu sát gần nhau hơn.
Hơn nữa, các kết quả đường biên dung lượng DCMC của hệ thống
HAP còn thể hiện rõ sự phụ thuộc vào góc ngẩng, cụ thể: khi góc ngẩng
tăng, dung lượng DCMC tăng, và ngược lại, với cùng mức điều chế và SNR.
Kết quả đạt được sẽ là cơ sở trong việc xác định vị trí thích hợp cho thiết bị
thu phát mặt đất. Đặc biệt, các kết quả đường biên dung lượng DCMC của
HAP còn là sở cứ để đánh giá hiệu năng tiếp cận dung lượng kênh của mã
kênh thiết kế cho hệ thống HAP trong chương ba.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÃ KÊNH TIẾP CẬN DUNG LƯỢNG
CHO HỆ THỐNG HAP
3.1. BIỂU ĐỒ TRUYỀN ĐẠT THÔNG TIN NGOẠI LAI
Biểu đồ truyền đạt thông tin ngoại lại (EXIT) được đề xuất bởi
Stephan ten Brink, là một công cụ bán phân tích mô tả sự tiến triển của quá
trình trao đổi thông tin (thông tin tương hỗ) giữa các bộ giải mã thành phần
trong bộ giải mã kênh giải mã lặp của hệ thống thông tin. Trong đó, thông
X 1,1
tin tương hỗ giữa biến ngẫu nhiên rời rạc X (
nhiên liên tục Y được xác định là:
) và biến ngẫu
p x, y
I X;Y
p x, y log
dy,
(3.1)
2
p x p y
xX
Nếu mô hình hóa y là biến ngẫu nhiên Gauss trung bình không,
phương sai 2 2 , thì ta được:
2
(3.2)
2
2
1
1
y
exp
y
log 1 e dy.
I X ;Y J 1
2
2
2
2
trong đó, hàm J đơn điệu tăng và tồn tại hàm ngược. Hơn nữa, hàm
J được đặc tính hóa bởi
.
lim J 0, lim J 1, 0
0
Hình 3. 1. Bộ mã
hóa (a) và bộ giải
mã SISO (b)
Bộ giải mã
SISO
La
Le
Bộ mã hóa
(a)
C
X
(b)
Xét bộ mã hóa và giải mã đầu vào mềm - đầu ra mềm (SISO) được
thể hiện ở hình 3.1. Trong đó,
X
biểu diễn chuỗi bit thông tin, là đầu vào
1
của bộ mã hóa, có giá trị
;
C
biểu diễn chuỗi bit mã hóa, là đầu ra của
10
1 La
L
tương ứng là chuỗi đầu vào/đầu ra tỷ
e
bộ mã hóa, có giá trị
;
và
lệ hợp lệ logarit (LLR) tiền nghiệm/hậu nghiệm của bộ giải mã SISO.
La
Khi đó, áp dụng (3.2), các thông tin tương hỗ giữa X và
là:
I = I X;L , 0 I 1, và thông tin tương hỗ giữa X và Le là
a
A
A
I
IA
và
I I X;L được xác định. Đường cong biểu diễn quan hệ giữa
e
E
E
được gọi là đường cong EXIT của bộ mã.
3.2. ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG MÃ CHẬP KHÔNG ĐỀU TRONG HỆ THỐNG HAP
Xét mã chập liên kết nối tiếp (SCCC) sử dụng trong dự án
CAPANINA của Ủy ban Liên minh châu Âu được thể hiện ở hình 3.2.
Trong đó, L(.) biểu thị tỷ lệ hợp lệ logarit (LLR) của bit liên quan, với chỉ
số 1 thể hiện cho bộ mã hóa vòng ngoài, còn chỉ số 2 thể hiện cho bộ mã
hóa vòng trong. Các chỉ số a, p, e, De tương ứng chỉ thông tin tiền nghiệm,
hậu nghiệm, ngoại lai và giải điều chế.
HAP
Bộ mã hóa
Bộ mã hóa
c1
u1
Bộ điều chế
(MOD)
(3)
u2
Hình 3. 2.
Sơ đồ khối
của SCCC
trong [11]
ngoài
CC(1,15/17)
(1)
d
tỷ lệ đơn vị
CC(2/3)
(2)
x
y
1
Bộ mã hóa trong
Bộ
giải mã
ngoài
Le,1
c
1
1
La,2
u
2
Bộ giải
điều chế
(DEMOD)
(3)
Bộ giải mã
Quyết
định
cứng
mã tỷ lệ đơn vị
Lp,1
u
1
Lp,1
c
1
CC1 2 / 3
CC-1 1,15/17
LDe d
11
Le,2
ˆ
u1
(2)
La,1
c
1
u
2
(1)
Kênh HAP
Lp,2
u
2
Bộ giải mã trong
Người dùng mặt đất
Để khảo sát hiệu năng tiếp cận dung lượng kênh của SCCC, luận
án sẽ thiết lập biểu đồ EXIT thể hiện mối quan hệ về đường cong EXIT của
các bộ giải mã vòng trong và bộ giải mã vòng ngoài. Trong đó, các bộ giải
mã vòng trong và giải mã vòng ngoài sẽ thực hiện thuật toán hậu nghiệm
cực đại ở miền logarit (Log-MAP) để tạo ra thông tin LLR ngoại lai trao
đổi lặp với nhau tạo thành các vòng lặp giải mã (J vòng lặp).
3.2.1. Đặc tính truyền đạt của bộ giải mã vòng trong
Sơ đồ đánh giá đặc tính truyền đạt của bộ giải mã vòng trong được
thể hiện ở hình 3.3. Trong đó, bộ mã hóa vòng trong mã hóa và điều chế
các bit đầu vào
thành các tín hiệu phát x, các đầu vào của bộ giải mã
u2
vòng trong là các đầu ra y của kênh truyền HAP và thông tin tiền nghiệm
La,2
u
2
. Bộ giải mã vòng trong thực hiện giải mã và cho ra thông tin hậu
Lp,2
u
2
Le,2 u L u L
u
nghiệm
. Thông tin ngoại lai
được
2
p,2 2 a,2 2
IE,2
u
.
2
sử dụng để tính
11
Nguồn
nhị phân
x
u2
Bộ mã hóa
trong
Hình 3. 3. Sơ đồ
đánh giá đặc
tính truyền đạt
của bộ giải mã
vòng trong
Kênh
SNR
n
a2
2
La,2
u
2
Thiết lập
IA,2
a J 1
I
A,2
La,2
u2 na
u
2
y
Bộ giải mã
hóa trong
Tính
u ;L
IE,2
u
2
I
u
2
e,2
2
L
u
2 p,2 2
Le,2
u
Khi đó, đường cong EXIT của bộ giải mã vòng trong biểu diễn
quan hệ giữa IE,2 và IA,2 tại giá trị SNR xác định:
u
u
2
IE,2
2
u
T I
u ,SNR
A,2 2
(3.3)
2
2
3.2.2. Đặc tính truyền đạt của bộ giải mã vòng ngoài
IA,1
c
1
b J 1
I
A,1
u1
c1
b2
2
La,1
c
1
La,1
c1 nb
IE,1
c
1
I
c ;L
e,1
c
Lp,1 c
1
1
1
Le,1
c
1
Hình 3. 5. Biểu đồ EXIT của cơ
chế mã hóa kênh trong [11] qua
kênh HAP pha-đinh Rice (K=10
dB), điều chế QPSK, Rc=0,5
Hình 3. 4. Sơ đồ đánh giá đặc tính truyền đạt
của bộ giải mã vòng ngoài
Tương tự, đặc tính truyền đạt của bộ giải mã vòng ngoài được thể
hiện ở hình 3.4. Trong đó, bộ mã hóa vòng ngoài mã hóa các bit đầu vào u1
thành các bit mã hóa
c1 , đầu vào của bộ giải mã vòng ngoài là thông tin
La,1
c
tiền nghiệm
. Bộ giải mã vòng ngoài thực hiện giải mã và cho ra
1
L
c
p,1
1
thông tin hậu nghiệm
.
Le,1 c L c L
c
1
Thông tin ngoại lai
được sử dụng để
p,1 a,1
1
1
IE,1
c
. Như vậy, đường cong EXIT của bộ giải mã vòng ngoài thể
1
tính
IE,1
c
IA,1
c
hiện quan hệ giữa
và
:
IE,1 c T I
c .
A,1
1
1
1
1
1
Kết quả về các đường cong EXIT của bộ giải mã vòng trong và bộ
giải mã vòng ngoài của SCCC, tỷ lệ mã Rc=0,5, sử dụng điều chế QPSK,
qua kênh HAP pha-đinh Rice (K=10 dB), được thể hiện hình 3.5. Qua đó
12
nhận thấy, với kích cỡ khung tin đủ lớn cùng 14 vòng lặp giải mã, BER
thấp nhất có thể đạt được tại SNR=2,7 dB, cách đường biên dung lượng
DCMC của HAP sử dụng điều chế QPSK, tỷ lệ mã hóa Rc=0,5 (CDCMC
=
0,48 dB) khoảng dDCMC_Rice=2,22 dB. Đây là một khoảng cách khá lớn,
trong khi mã Turbo cho hiệu năng tiếp cận dung lượng kênh – giới hạn
dung lượng Shannon là 0,7 dB. Vì vậy, để nâng cao hiệu năng tiếp cận gần
dung lượng kênh của mã kênh sử dụng cho hệ thống HAP, luận án đề xuất
sử dụng mã chập không đều (IrCC) ở bộ mã hóa vòng ngoài của mã SCCC
trong dự án CAPANINA và thiết kế mã IrCC cho hệ thống HAP.
3.3. THIẾT KẾ MÃ KÊNH TIẾP CẬN DUNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG HAP
3.3.1. Cơ chế mã hóa IrCC-URC-MOD
Xét cơ chế mã hóa IrCC-URC-MOD được thể hiện ở hình 3.6.
Trong đó, phía phát (trạm HAP), khung tin gồm N bit được mã hóa bởi bộ
mã hóa ngoài là bộ mã hóa mã chập không đều (IrCC) có tỉ lệ mã Rc, sẽ tạo
ra khung đầu ra có độ dài N Rc bit. Sau đó khung được đan xen bởi bộ đan
xen 1 trước khi đưa đến bộ mã hóa trong là bộ mã hóa tỷ lệ đơn vị (URC).
Khung tại đầu ra của URC được điều chế bởi bộ điều chế (MOD), tạo ra tín
hiệu phát x truyền qua kênh HAP.
Ở phía thu, tín hiệu thu được từ kênh HAP lần lượt được đưa đến
bộ giải điều chế (DEMOD), bộ giải mã tỷ lệ đơn vị (URC-1) và bộ giải mã
mã chập không đều (IrCC-1). Tại các bộ URC- 1 và IrCC-1 sẽ thực hiện thuật
toán hậu nghiệm cực đại ở miền logarit (Log-MAP) để tạo ra thông tin
ngoại lai (tỷ lệ hợp lệ logarit – LLR) trao đổi lặp với nhau tạo thành các
vòng lặp giải mã (J vòng lặp).
HAP
Bộ mã hóa
Bộ mã hóa
c1
u1
Bộ điều chế
(MOD)
(3)
u2
Hình 3. 6. Sơ
đồ cơ chế mã
hóa IrCC-
URC-MOD
cho hệ thống
HAP
ngoài
(IrCC)
(1)
d
tỷ lệ đơn vị
(URC)
(2)
x
y
1
Bộ mã hóa trong
Bộ
giải mã
ngoài
IrCC-1
Le,1
c
1
1
La,2
u
2
Bộ giải mã
Bộ giải
Quyết
định
cứng
mã tỷ lệ đơn vị
điều chế
(DEMOD)
(3)
Lp,1
u
1
Lp,1
c
1
URC1
(2)
LM
d
11
Le,2
ˆ
u1
La,1
c
1
u
2
(1)
Kênh HAP
Lp,2
u
2
Bộ giải mã trong
Người dùng mặt đất
3.3.2. Mã chập không đều
Mã chập không đều (IrCC) được định nghĩa là một họ mã gồm
nhiều mã chập con thành phần Ck ( ), có tỷ lệ mã
1 k P 1
. Các C sẽ được xây dựng từ một mã chập mẹ có tỷ lệ mã
:
Rk 0 Rk 1
k
Rq . Khi đó, quá trình mã hóa và giải mã IrCC sẽ là quá trình mã hóa và
giải mã ở các mã chập con thành phần và sẽ được thực hiện trên lưới của
13
mã chập mẹ. Do vậy, việc sử dụng IrCC sẽ không làm tăng thêm độ phức
tạp mã hóa và giải mã.
Xét mã chập không đều gồm các mã chập con thành phần Ck, có tỷ
lệ mã
, giả thiết khoảng cách tỷ lệ mã của các Ck là 0,05 thì các Rk có thể
Rk
có 0,1; 0,15; 0,2; 0;25; …; 0,9, khi đó số lượng các mã chập con thành
phần sẽ được là 17. Nếu khoảng cách giữa tỷ lệ mã hóa của các Ck là 0,1 thì
các Rk có thể có 0,2; 0,3; …; 0,9, khi đó số lượng các mã chập con thành
phần sẽ được là 8. Vì vậy, bộ tham số biểu diễn cho các Ck sẽ như sau:
,
trong đó,
hoặc 17,
k 1,2,...8
R , w , w ,... ,l , p , p ,...
k
0
1
k
0
1
wj , j 0,1,2,3 chỉ tần suất xuất hiện của gj trong ma trận sinh, lk là chu
kỳ đục lỗ và pj là mô hình đục lỗ có liên quan tới gj (dạng bát phân).
3.3.3. Thiết kế mã IrCC cho hệ thống HAP
Quá trình thiết kế mã IrCC cho hệ thống HAP được thực hiện như
sau:
Bước 1: Áp dụng sơ đồ hình 3.4 để thiết lập 17 đường cong EXIT của
các mã chập con thành phần:
, có tỷ lệ mã Rk = 0,1;
I
T
1,k
I
ACC
ECC
0,15; 0,2; 0;25; …; 0,9 từ các mã chập mẹ: CC(1,27/31), CC(1,15/17).
Bước 2: Thiết kế mã IrCC tiếp cận dung lượng kênh
Bài toán thiết kế mã IrCC tiếp cận dung lượng kênh cho hệ thống
HAP sẽ là bài toán xác định các hệ số trọng lượng k ,k 1,..,8 /17 tương
ứng của các Ck thỏa mãn điều kiện (3.4) sao cho diện tích đường hầm EXIT
đủ mở giữa đường cong EXIT của bộ giải mã vòng trong (URC-MOD) và
đường cong EXIT của IrCC là nhỏ nhất. Trong đó, đường cong EXIT của
IrCC được xác định bởi:
P
T
T ,
với P 8 hoặc 17
(3.4)
1,IR
k 1,k
k1
Bước 2.1: Thiết lập hàm truyền đạt của bộ giải mã vòng trong tại giá trị
(theo sơ đồ hình
SNR xác định:
IE
u
T I
u ,SNR
2
2
2
AURC-MOD
URC-MOD
3.3).
Bước 2.2: Xác định hàm truyền đạt của bộ giải mã vòng ngoài
T
hay
1,IR
sao cho e T T21
,
c
AIrCC 1
IA,2
e 0 với
,
I
c T
I
EIrCC
1
1,IR
1,IR
cùng các điều kiện ràng buộc (3.5) như sau:
1
2
1
P
J ,..., e2 i di
T T1 di, e i 0,i 0,1
(3.5)
P
0 k1
1
k
1,k
2
0
14
Sử dụng thuật toán tối ưu theo phương pháp giảm bước, bộ 8 hoặc
17 giá trị (tương ứng với IrCC8 hoặc IrCC17) của các hệ số trọng số tối ưu
hóa
được xác định.
i ,i 1,..,8 /17
Bước 3: Xác định số vòng lặp giải mã của cơ chế mã hóa IrCC-URC-
MOD.
3.3.4. Kết quả thiết kế mã IrCC
Bộ 28 kết quả thiết kế mã IrCC17(31,27), IrCC17(17,15),
IrCC8(31,27), IrCC8(17,15) và hiệu năng tiếp cận dung lượng DCMC
(dDCMC) của hệ thống HAP qua các kênh HAP pha-đinh Rice, Rayleigh và
kênh chuyển mạch hai trạng thái được được liệt kê ở các bảng 3.1, 3.2, 3.3,
3.4, 3.5 và 3.6. Trong đó, ký hiệu IrCCj(31,27) và IrCCj(17,15) (với j = 8
hoặc 17 tương ứng gồm 8 hoặc 17 mã con chập thành phần).
Bảng 3. 1. Liệt kê kết quả thiết kế mã IrCC17(31,27) và hiệu năng tiếp cận dung
lượng DCMC (dDCMC) qua kênh HAP pha-đinh Rice, 450 (K=10 dB)
Cơ chế
điều chế
BPSK
Rc
dDCMC
Các hệ số , ,...,
của mã IrCC17(31,27)
17
1
2
1/2
[ 0,044 0(5) 0,264 0,324 0,097 0,025 0 0 0,146 0,054 0,7 dB
0,026 0 0,021]
QPSK
QPSK
QPSK
2/3
3/4
1/2
[ 0,085 0(8) 0,195 0,091 0,216 0,171 0 0,085 0 0,157]
[ 0,051 0(11) 0,363 0,086 0,244 0 0,256 ]
[ 0,037 0(4) 0,369 0,110 0,046 0 0,120 0 0,094 0,105 0,52 dB
0 0,044 0,013 0,061]
0,68 dB
0,8 dB
8PSK
1/2
1/2
3/4
[ 0,014 0 0,169 0 0,209 0 0 0,093 0,152 0 0 0,022 0,6 dB
0,172 0 0,022 0,027 0,120 ]
[ 0 0 0,248 0 0,013 0,189 0 0 0,182 0(3) 0,207 0(3) 0,5 dB
0,161 ]
16QAM
16QAM
[0,0511 0(10) 0,282 0,192 0(3) 0,473]
1,0 dB
Bảng 3. 2. Liệt kê kết quả thiết kế mã IrCC8(17,15) và IrCC8(31,27) qua kênh
HAP chuyển mạch hai trạng thái.
Cơ chế
điều chế
của IrCC8(17,15)
của IrCC8(31,27)
, ,...,
1 2
, ,...,
8
8
1
2
Rc=0,5
[0,150
0,703
Rc=0,67
Rc=0,5
Rc=0,67
0
0
0,011 [0,094
0(3) [0,084 0 0,547 [0,020 0(3) 0,631
QPSK
0,022 0,224 0,487 0 0 0,061 0,238 0,133 0 0,216]
0,042 0,073]
0,195]
0,022 0,048]
[0,205
0,120 [0,052
0
0
[0,185 0,102 [0,022 0 0 0,375
16QAM
0,154 0,138 0,057 0,291 0,068 0,237 0,148 0 0,161 0,080
0
0,135
0,109]
[0,296
0,082 0,283 0 0,306] 0,156 0 0,172] 0,361]
0
0,217 [0,066 [0,275 0,123 0 [0,040 0 0 0,445
0
0
64QAM
0,101 0 0,218 0 0,327 0 0,265 0,288 0 0,092 0,010 0,103
0,167] 0 0,342] 0 0,222] 0,401]
0
15
Bảng 3. 3. Liệt kê kết quả thiết kế mã IrrCC17(31,27), Rc=1/2 và hiệu năng tiếp cận
dung lượng DCMC (dDCMC) qua kênh HAP pha-đinh Rayleigh, 100
Cơ chế
điều chế
QPSK
dDCMC
Các hệ số:
của IrCC17(31,27)
, ,...,
17
1
2
[ 0,031 0(4) 0,355 0,142 0,059 0 0,091 0 0,100 0,109 0 0,036 0,7 dB
0,015 0,062 ]
8PSK
[0,056 0(3) 0,367 0 0 0,022 0,111 0,124 0 0,025 0,109 0 0,073 0,86 dB
0,035 0,078]
16QAM
[0,057 0 0 0,039 0,329 0(3) 0,155 0,095 0 0 0,152 0 0,037 0,82 dB
0,039 0,097]
Bảng 3. 4. Liệt kê dDCMC của cơ chế chế mã hóa IrCC8(17,15)-URC-MOD cho hệ
thống HAP qua kênh HAP chuyển mạch hai trạng thái.
Cơ chế
điều chế
QPSK
16QAM
64QAM
IrCC8(17,15)
Rc=0,5
2,3 dB
6,8 dB
11 dB
CDCMC
1,0 dB
6,04 dB
10 dB
dDCMC
Rc= 0,67
4,8 dB
10 dB
CDCMC
3,6 dB
9,02 dB
13,86 dB
dDCMC
1,2 dB
0,98 dB
1,14 dB
1,3 dB
0,76 dB
1 dB
15 dB
Bảng 3. 5. Liệt kê dDCMC của cơ chế mã hóa IrCC8(31,27)-URC-MOD cho hệ thống
HAP qua kênh HAP chuyển mạch hai trạng thái.
Cơ chế
điều chế
QPSK
16QAM
64QAM
IrCC8(31,27)
Rc= 0,5
1,8 dB
6,4 dB
10,5 dB
CDCMC
1 dB
5,92 dB
10 dB
dDCMC
Rc= 0,67
CDCMC
3,6 dB
9,02 dB
13,86 dB
dDCMC
0,4 dB
0,48 dB
0,64 dB
0,8 dB
0,48 dB
0,5 dB
4,0 dB
9,5 dB
14,5 dB
Bảng 3. 6. Liệt kê kết quả thiết kế mã IrCC(17,15) và hiệu năng tiếp cận dung
lượng DCMC (dDCMC) qua kênh HAP, điều chế QPSK, Rc=0,5
Kiểu kênh
pha-đinh
IrCC8(17,15)
IrCC17(17,15)
dDCMC
dDCMC
, ,...,
, ,...,
8
17
1
2
1
2
[0,1434 0(2) 0,7202 1,42 dB
[0,0355 0(4) 0,2626 0(2) 0,92 dB
Rice
450
,
0
0,0459 0,0234
0,5189 0(3) 0,0899
0,0163 0 0,0768]
0
0,0671]
K=10 dB
Rayleigh,
1 0 0
[0,1399
0
0,0384 1,2 dB
[0,0239 0(4) 0,3250 0(2) 0,9 dB
0,6952 0(2) 0,0469
0,0796]
0,4540 0(3) 0,0952
0,0147 0 0,0872]
0
[0,150
0,703 0 0,022 0,042
0,073]
0
0,011 1,3 dB
[0(5) 0,420 0(2) 0,353 0,9 dB
0(3) 0,135 0(2) 0,015
0,077]
Chuyển
mạch hai
trạng thái
3.4. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MÃ CHẬP KHÔNG ĐỀU
Tham số được sử dụng để đánh giá hiệu năng là BER, FER, SNR và
dDCMC sẽ phụ thuộc vào trạng thái kênh truyền, kích cỡ khung tin, số vòng
lặp giải mã, kiểu đan xen, tỷ lệ mã, phương thức điều chế.
16
3.4.1. Kết quả 1: Hiệu năng của cơ chế mã hóa IrCC17(31,27)-URC-
QPSK, tỷ lệ mã Rc=0,5.
Hình 3.7 thể hiện các tham số sử dụng và kết quả hiệu năng BER đạt
được của cơ chế mã hóa IrCC17-URC-QPSK và SCCC của dự án
CAPANINA. Kết quả đạt được đã cho thấy IrCC17 (31,27)-URC-QPSK cho
hiệu năng tiếp cận dung lượng DCMC cải thiện hơn. Cụ thể:
IrCC17 (31,27) cho dDCMC = 0,52 dB, cải thiện hiệu năng dDCMC
hơn so với CC(31,27) qua kênh pha-đinh Rice là 1,2 dB;
IrCC17 (17,15) cho dDCMC = 0,92 dB, cải thiện hiệu năng dDCMC
hơn so với CC(17,15) qua kênh pha-đinh Rice là 1,5 dB;
IrCC17 (31,27) cho hiệu năng dDCMC cải thiện hơn so với
CC(17,15) qua kênh pha-đinh Rice là 1,7 dB;
Hơn nữa, với số vòng lặp giải mã (J=27 vòng) và kích cỡ khung tin
đủ lớn (N=100000 bit), IrCC17 (31,27) cho hiệu năng BER đạt được thấp
nhất khi vượt qua giá trị SNR hội tụ: Eb/N0 =1,0 dB (đối với kênh HAP pha-
đinh Rice) được xác định qua phân tích biểu đồ EXIT, cho hiệu năng độ lợi
mã hóa cải thiện hơn khoảng:
1,2/1,5 dB của IrCC17 (31,27)/ IrCC17 (17,15) so với
CC(31,27)/CC(17,15) tương ứng.
1,7 dB của IrCC17 (31,27) so với CC(17,15).
1,0 dB của IrCC17 (17,15) so với CC(31,27).
Hình 3. 7.
Hiệu năng
BER của
IrCC17-
URC-QPSK
và CC-URC-
QPSK,
Rc=0,5, qua
kênh HAP
pha-đinh
Rice và
Rayleigh
Ngoài ra, cơ chế mã hóa IrCC17-URC-QPSK và SCCC, tỷ lệ mã
Rc=0,5 qua kênh HAP pha-đinh Rayleigh cũng cho thấy giá trị Eb/N0 hội tụ
là 2,5 dB, lớn hơn so với Eb/N0 hội tụ của kênh HAP pha-đinh Rice. Điều
này cũng thể hiện đúng bản chất ảnh hưởng của các kênh pha-đinh.
17
3.4.2. Kết quả 2: Hiệu năng FER của cơ chế mã hóa IrCC17-URC-
QPSK qua kênh HAP pha-đinh Rice.
Hình 3. 8.
Hiệu năng
FER của
IrCC17(31,27)
-URC-QPSK
và SCCC [11]
tỷ lệ mã
Rc=0,5 qua
kênh HAP
pha-đinh
Rice,
450
(K=10dB)
Hình 3.8 thể hiện các tham số và kết quả về hiệu năng FER của cơ
chế mã hóa IrCC17-URC-QPSK và CC-URC-QPSK, tỷ lệ mã Rc=0,5 qua
kênh pha-đinh Rice. Cũng giống như kết quả thể hiện ở hình 3.8, với số
vòng lặp giải mã và kích cỡ khung tin đủ lớn (N=120000 bit), tại các giá trị
SNR hội tụ, cơ chế IrCC17-URC-QPSK cho hiệu năng FER đạt được thấp
nhất, cải thiện hiệu năng về độ lợi mã hóa và tiếp cận dung lượng hơn so
với cơ chế CC-URC-QPSK. Tuy nhiên, tại FER=10-6, với kích cỡ khung tin
nhỏ (khoảng vài trăm bit), IrCC17-URC-QPSK lại không cho hiệu năng cải
thiện so với CC-URC-QPSK với cùng loại mã chập mẹ.
3.4.3. Kết quả 3: Hiệu năng FER của cơ chế mã hóa IrCC8-URC-QPSK
qua kênh HAP chuyển mạch hai trạng thái.
Hình 3.9 thể hiện các tham số sử dụng và các kết quả mô phỏng về
hiệu năng FER của cơ chế mã hóa IrCC8-URC-QPSK cho hệ thống HAP
qua kênh HAP chuyển mạch hai trạng thái.
Các kết quả đạt được cho thấy:
- Hiệu năng FER cải thiện khi: (i) tỷ lệ mã thấp hơn trong cùng một
mã sử dụng (IrCC8(31,27) hoặc IrCC8(17,15)); (ii) sử dụng mã mẹ
có độ dài hạn chế lớn hơn (IrCC8(31,27) hiệu năng tốt hơn
IrCC8(17,15)).
- Tại FER=10-6, tỷ lệ mã 0,67, với cùng số vòng lặp và kích cỡ
khung tin (J=15, N=1911 bit), cơ chế IrCC8-URC-QPSK cho hiệu
năng độ lợi mã hóa cải thiện hơn so với SCCC(2872,1911) [11]
khoảng 0,77/1,57 dB tương ứng với IrCC8(17,15) và IrCC8(31,27).
Tải về để xem bản đầy đủ
27 trang
16260
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tóm tắt Luận án Nghiên cứu giải pháp thiết kế và đánh giá hiệu năng mã kênh cho hệ thống thông tin HAP", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tom_tat_luan_an_nghien_cuu_giai_phap_thiet_ke_va_danh_gia_hi.pdf
