Luận Văn Ứng dụng mã BICM-ID cho mạng HiperLAN

LỜI NÓI ĐẦU

Kênh liên tục trong truyền dẫn số trên thực tế là không lý tưởng mà là những kênh có băng tần hạn chế. Hơn nữa, đối với các hệ thống truyền dẫn số hiện đại ngày nay với yêu cầu truyền được nhiều luồng tín hiệu số trên một tuyến truyền dẫn, do vậy thường dẫn tới sự chia sẻ băng tần sử dụng. Truyền dẫn số trên kênh có băng tần hạn chế đặt ra hai vấn đề: thứ nhất là nâng cao hiệu quả sử dụng phổ để tiết kiệm băng thông, có thể giải quyết được vấn đề này bằng điều chế bậc cao nhiều mức với nhiều bit tin trên một symbol; thứ hai là các tác động xấu trên kênh truyền như ISI, can nhiễu, suy hao, fading, méo tín hiệu, hiệu ứng Doppler, do đó thông tin thu được đã bị sai lệch so với thông tin gốc được phát đi. Để truyền thông tin tin cậy khắc phục các ảnh hưởng xấu trên kênh liên tục có băng tần hạn chế có rất nhiều biện pháp như sử dụng bộ san bằng hay thực hiện phân tập, hơn nữa một biện pháp quan trọng thường xuyên được sử dụng là mã hoá chống nhiễu. Mã hoá chống nhiễu càng đặc biệt quan trọng đối với việc khắc phục tác động của fading đa đường xuất hiện trong các hệ thống vô tuyến số dung lượng cao. Về bản chất, mã hoá chống nhiễu là việc biến đổi tập các từ mã cần truyền thành một tập các từ mã chống nhiễu với các phần tử dư dùng để phát hiện và sửa các bit lỗi. Trả giá cho phương pháp này là việc tăng tốc độ điều chế truyền dẫn và do đó mở rộng phổ chiếm của tín hiệu.
Như vậy, để sửa lỗi thì chúng ta sử dụng mã hoá sửa lỗi nhưng phải trả giá bằng việc mở rộng phổ chiếm của tín hiệu; để tiết kiệm băng thông phải nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số bằng điều chế nhiều mức nhưng phải trả giá là tăng công suất tín hiệu. Do đó, việc kết hợp giữa mã hoá chống nhiễu và điều chế nhiều mức là rất cần thiết trong các hệ thống thông tin số hiện nay. Theo lý thuyết thông tin thì công suất và băng thông đều là những tài nguyên bị hạn chế trong các hệ thống truyền thông hiện đại. Hơn nữa theo lý thuyết của Shannon, khi sử dụng băng tần nhỏ thì công suất tín hiệu phải lớn và ngược lại. Để giải quyết những mâu thuẫn trên và đạt được tối ưu, Gottfried Ungerboeck đã giới thiệu mã TCM (Trellis-coded Modulation- Điều chế mã lưới), một phương pháp đã rất thành công trong việc giảm công suất tín hiệu mà không cần phải tăng băng thông sử dụng. Qua đó, chúng ta thấy sự hấp dẫn và là bước đi cần thiết của việc kết hợp điều chế với mã hoá.
Đối với kênh Gauss trắng cộng tính (AWGN), kỹ thuật điều chế mã lưới TCM tỏ ra rất hiệu quả để ánh xạ các bit được mã hoá vào tập tín hiệu, sao cho khoảng cách Euclid tối thiểu giữa các từ mã là đủ lớn. Tuy nhiên, trên kênh fading Rayleigh thì hoạt động của TCM lại bị hạn chế. Để cải thiện hoạt động của TCM trên kênh fading, Zehavi đã đề xuất một sơ đồ khối gọi là điều chế mã có xáo trộn bit BICM (Bit Interleaved Coded Modulation). BICM do được xáo trộn bit một cách ngẫu nhiên trước khi ánh xạ vào tập tín hiệu nên đạt được khoảng cách Hamming lớn hơn, có bậc phân tập cao hơn- một điều kiện tiên quyết khi truyền tin trên kênh fading Rayleigh. Nhưng do xáo trộn ở mức bit chứ không phải là ở mức tín hiệu, các sơ đồ BICM lại hoạt động kém trên kênh Gauss. Lý do là quy luật ánh xạ lên tập tín hiệu của BICM không thể tối ưu hoá theo tiêu chuẩn cực đại khoảng cách Euclid tối thiểu giữa các chuỗi tín hiệu. Từ đó dẫn tới sự ra đời của sơ đồ kết hợp BICM với giải mã lặp (Iterative Decoding) được ký hiệu là BICM-ID. Việc sử dụng giải mã lặp không những cải thiện chất lượng của hệ thống trên kênh fading mà còn cho chất lượng tốt trên kênh Gauss.
HiperLAN/2 là một chuẩn viễn thông mới có hiệu suất cao. Với việc sử dụng đường truyền vô tuyến và đặc biệt là trên các kênh fading Rayleigh, Rice thì tác động của fading đa đường trong chuẩn này cần được xem xét một cách đặc biệt. Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên, được sự định hướng của thầy giáo
PGS-TS Đinh Thế Cường, em đã chọn thực hiện đồ án tốt nghiệp: “Ứng dụng mã BICM-ID cho mạng HiperLAN”. Mục tiêu của đồ án là nghiên cứu nguyên lý mã BICM-ID cũng như tiến hành khảo sát hiệu suất của chuẩn HiperLAN/2 khi sử dụng BICM-ID trên các mẫu kênh truyền khác nhau, đánh giá hiệu suất và rút ra kết luận. Việc đánh giá được thực hiện qua các chương trình mô phỏng trên cở sở ứng dụng phần mềm Matlab.
Nội dung của đồ án gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về mã hoá và điều chế trên kênh có băng tần hạn chế.
Chương 2: Điều chế mã có xáo trộn bit và giải lặp BICM-ID.
Chương 3: Ứng dụng BICM-ID trong chuẩn HiperLAN/2.
Do hạn chế về thời gian và mã BICM-ID là loại mã mới đối với học viên nên em chưa thể đề cập các vấn đề có liên quan một cách sâu sắc. Với khả năng của mình em đã cố gắng nghiên cứu để hiểu được mã BICM-ID, cũng như khả năng ứng dụng của BICM-ID trong chuẩn HiperLAN/2. Hơn nữa, qua làm đồ án em đã thu được một số kết quả nhất định và giúp em có thể tiếp tục nghiên cứu sâu hơn. Em rất mong nhận được các ý kiến nhận xét, góp ý của các thầy cô giáo để đồ án đạt được chất lượng tốt hơn.
Để thực hiện và hoàn thành đồ án, trước hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo PGS.TS Đinh Thế Cường, người đã luôn theo sát, định hướng và tạo điều kiện về mọi mặt cho em trong suốt quá trình làm đồ án. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa VTĐT vì những kiến thức và ý kiến góp ý quý báu.

MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHẾ VÀ MÃ HOÁ TRÊN KÊNH CÓ BĂNG TẦN HẠN CHẾ 4
1.1. Mô hình hệ thống thông tin số và dung lượng kênh 4
1.1.1. Mô hình hệ thống thông tin số 4
1.1.2. Dung lượng kênh 6
1.2. Các đặc tính kênh truyền có băng tần hạn chế 9
1.2.1. Truyền dẫn số trên kênh liên tục lý tưởng_AWGN 9
1.2.2. Truyền dẫn số trên kênh có băng tần hạn chế 10
1.3. Các hệ thống điều chế- mã hoá 13
1.3.1. Các phương pháp điều chế số 15
1.3.2. Các loại mã kênh 18
1.4. Kết luận 26
CHƯƠNG 2: ĐIỀU CHẾ MÃ CÓ XÁO TRỘN BIT VÀ GIẢI LẶP BICM-ID 27
2.1. Mô hình hệ thống BICM và BICM-ID 27
2.2. Các phép ánh xạ cơ bản trong BICM 32
2.3. Các phương pháp giải mã BICM 34
2.3.1. Thuật toán giải mã MAP 34
2.3.2. Thuật toán giải mã Max-Log-Map 38
2.3.3. Thuật toán giải mã lặp 39
2.3.4. Giải mã lặp trong BICM 44
2.4. Đánh giá BICM-ID trên các kênh AWGN và kênh Fading-Rayleigh 47
2.4.1. Đường biên trên BER của BICM-ID với kênh AWGN 48
2.4.2. Đường biên trên BER của BICM-ID với kênh fading Rayleigh 48
2.5. Kết luận 49
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BICM-ID CHO CHUẨN HIPERLAN/2 51
3.1. HiperLAN/2 51
3.1.1. Giới thiệu chung 51
3.1.2. Giao diện lớp vật lý (PHY) trong HiperLAN/2 53
3.1.3. Mã hoá- Điều chế trong HiperLAN/2 56
3.1.4. Đánh giá hiệu suất của HiperLAN/2 qua các mẫu kênh truyền 60
3.3. Đánh giá hiệu suất HiperLAN/2 kết hợp BICM-ID 63
3.4. Kết luận 67
KẾT LUẬN 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO 70