ĐẶT VẤN ĐỀ Năm 1948, Claude Shannon đã đưa ra một lý thuyết nổi tiếng về thông tin. Ông phát biểu rằng, dưới các điều kiện cho trước, có thể gửi dữ liệu trên một đường truyền với một độ tin cậy tùy ý bằng cách sử dụng mã hóa kênh. Tuy nhiên, giới hạn dung năng kênh phụ thuộc vào công suất tín hiệu và băng tần của dữ liệu phát và công suất tạp âm trên kênh. Shannon đề cập về dung năng kênh nhưng tuyệt nhiên không đề cập đến bằng cách nào để đạt được dung năng kênh đó.
Trong vòng 50 năm qua, các nhà khoa học đã cố gắng tìm ra một loại mã để chứng minh lý thuyết của Shannon là đúng. Một vài mã tốt được tìm ra, nhưng chúng vẫn không đạt tới gần với giới hạn mà Shannon đưa ra. Đã có lúc mọi người nghĩ rằng việc tìm ra loại mã đó trở lên vô vọng, thể hiện qua câu nói nổi tiếng của J.Wolfowitz: "Tất cả các loại mã đều tốt, ngoại trừ những loại mã mà chúng ta đã tìm ra" (All codes are good, except the ones we can think of). Nhưng chỉ khi chúng ta bắt đầu tuyệt vọng về việc tìm ra một loại siêu mã (super-code) như vậy thì vào năm 1993, Berrou, Glavieux và Thitimajshima đã đề xuất một kỹ thuật mã hóa tiếp cận rất gần giới hạn Shannon [5].
Kỹ thuật mã hóa này có tên gọi là Turbo và loại mã tương ứng được gọi là mã Turbo (Turbo codes). Thay vì việc nghiên cứu các loại mã cổ điển thì việc khám phá ra mã Turbo được một số nhà nghiên cứu coi như là sự phục hưng của mã hóa kênh. Mã Turbo không thực sự ứng dụng nhiều cho mã hóa mà là ứng dụng cho giải mã. Sau được khi tìm ra, nguyên tắc Turbo cũng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của ngành xử lý tín hiệu, như sửa lỗi và tách sóng nhiều người dùng.
Bản chất của mã hóa Turbo là mã hóa ghép nối và giải mã lặp [14].1 ĐỊNH LÝ SHANNON VỀ DUNG NĂNG KÊNH Để hiểu sự cần thiết phải sử dụng các lược đồ mã hóa, chúng ta sẽ thảo luận về định lý Shannon. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Định lý Shannon về dung năng của một kênh tạp âm Gauss trắng cộng (AWGN), phát biểu rằng, tốc độ truyền tin tin cậy lớn nhất được xác định bằng: C ⎛ P ⎞ ⎛ E R⎞ = log 2 ⎜⎜1 + ⎟⎟ = log 2 ⎜⎜1 + b ⎟⎟ (bit ) (1.1) W ⎝ N 0 W ⎠ ⎝ N 0 W ⎠ Trong đó: - C: dung năng kênh (bit/s) - W: độ rộng băng tần truyền tin (Hz) - P = EbR: công suất tín hiệu (W) - N0: mật độ phổ công suất tạp âm đơn biên (W/Hz) - Eb: năng lượng bit của tín hiệu máy thu (J) - R: tốc độ dữ liệu (bit/s) Như vậy, dung năng C là tốc độ cực đại mà thông tin có thể được gửi đi trên một kênh với độ tin cậy cao tùy ý, nếu nguồn phù hợp với kênh. Ở điều kiện lý tưởng, tốc độ truyền R bằng với dung năng kênh C. Nếu đặt R=C ở biểu thức (1.1) thì đối với một hệ thống lý tưởng chúng ta có: C ⎡ E ⎛ C ⎞⎤ = log 2 ⎢1 + b ⎜ ⎟⎥ (1.2) W ⎣ N 0 ⎝ W ⎠⎦ Giải phương trình (1.2) đối với Eb/N0, chúng ta sẽ tìm được mối liên hệ giữa Eb/N0 và C/W=R/W.3) N0 C/W Mối quan hệ này được thể hiện trên hình 1.
Shannon chứng minh rằng, nếu tốc độ dữ liệu R mà nhỏ hơn dung năng kênh C thì có thể truyền tin không lỗi có sử dụng mã hóa. Chúng ta có: ⎛ P ⎞ E 2C / W − 1 R ≤ W log 2 ⎜⎜1 + ⎟⎟ và b ≥ (1.4) ⎝ N0W ⎠ N0 C/ W 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 50 45 40 35 30 Eb/N0 (dB) 25 20 15 10 5 0 -5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 C/W (bit/Hz) Hình 1.1 Sự cân đối công suất - băng tần đối với truyền tin không lỗi trên kênh có tạp âm và bị giới hạn băng tần Áp dụng các biểu thức này vào hình 1.1, chúng ta thấy rằng, tại các điểm phía dưới và bên phải của đường cong, không có sự mã hóa nào sẽ đạt hoàn toàn khả năng truyền tin tin cậy. Tại các điểm phía trên và bên trái của đường cong, truyền tin có thể không bị lỗi, nhưng có thể chi phí rất cao.1, vùng có R/W>1 được gọi là vùng bị giới hạn băng tần và vùng mà R/W<1 được gọi là vùng bị giới hạn công suất. Điều này có nghĩa rằng nếu bit/s/Hz lớn hơn 1 thì lược đồ hiệu quả về mặt sử dụng băng tần, trong khi bit/s/Hz nhỏ hơn 1 thì lược đồ hiệu quả về mặt sử dụng công suất.
Trong thảo luận ở trên về dung năng kênh đều giả sử các khối bit có độ dài tùy ý. Tuy nhiên, trong thực tế lại sử dụng khối có độ dài hữu hạn. Đường cong Shannon không chỉ ra xác suất lỗi nhỏ nhất trong trường hợp này, mặc dù đối với mọi lược đồ độ dài khối hữu hạn phải tồn tại một xác suất lỗi nhỏ nhất nằm dưới ngưỡng mà lược đồ không mã hóa có thể thực hiện. Trong các trường hợp như vậy, 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thường tăng Eb/N0 hoặc tăng độ dài khối để có được xác suất lỗi bit thấp hơn.
Cũng phải nhớ rằng trong các vùng nằm dưới hoặc bên phải của đường cong Shannon, truyền tin vẫn có thể thực hiện, mặc dù có lỗi bit không thể khắc phục được. Điều này không phải là vấn đề tồi, vì rằng trong hầu hết các trường hợp thực tế đều tồn tại một lượng lỗi bit có thể chấp nhận được thay vì không có bất kỳ lỗi nào [14].2 DUNG NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY NHIỀU NGƯỜI DÙNG Hệ thống nhiều người dùng (multiuser system) là hệ thống mà tài nguyên được chia sẻ hay dùng chung cho nhiều người dùng. Tài nguyên ở đây chúng ta phải hiểu rằng đó là tần số, thời gian và không gian mã. Một hệ thống mà nhiều người chia sẻ đây đủ tài nguyên hệ thống đó là hệ thống CDMA.
Khi nhiều người dùng cùng chia sẽ một kênh thì dung năng kênh không còn có tính chất như khi chỉ có một người dùng. Xét ở mức độ cao nhất, nếu chỉ một người dùng chiếm toàn bộ các chiều truyền tin trên kênh thì dung năng kênh giảm xuống tới dung năng người dùng đơn. Trong hệ thống truyền thông nhiều người dùng DS-CDMA, dung năng của hệ thống phụ thuộc vào mức độ hoạt động đồng thời của nhiều người dùng trong hệ thống. Khi máy thu của người dùng sử dụng tách sóng đơn người dùng (single-user detection) hay tách sóng thông thường (conventional detection), các tín hiệu của người dùng khác xuất hiện như là nhiễu tại máy thu của người dùng đó.
Khi số lượng người dùng gây nhiễu tăng lên, sự tập trung của nhiễu đa truy nhập MAI trở thành một nhân tố làm giới hạn dung năng và hiệu năng của hệ thống. Mặt khác, nhiễu này làm tăng độ lợi xử lý khi số lượng người dùng lớn. Tuy nhiên, điều này cũng đòi hỏi tăng băng tần. Một nhân tố quan trọng khác gây ra sự tập trung nhiễu MAI là tác động của hiệu ứng gần-xa.
Do hệ thống DS-CDMA thông thường bị giới hạn chủ yếu do nhiễu nên việc giảm nhẹ ảnh hưởng của nhiễu MAI có thể cải thiện đáng kể dung năng của hệ thống. Một số phương pháp cải thiện ảnh hưởng của nhiễu như sau [15]: 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com o Thiết kế dạng sóng mã o Điều khiển công suất o Mã hóa FEC o Ăng ten sector/thích nghi o Phân tập nhiều người dùng o Tách sóng nhiều người dùng 1.3 TÁCH SÓNG NHIỀU NGƯỜI DÙNG Chúng ta biết rằng, kỹ thuật tách sóng một người dùng thông thường được sử dụng trong môi trường không có nhiễu đa truy nhập. Như vậy, các máy thu này có hiệu năng rất thấp trong hệ thống nhiều người dùng. Tách sóng nhiều người dùng có thể khai thác cấu trúc tín hiệu nhiều người dùng và tách tất cả dữ liệu nhiều người dùng đồng thời.
Tách sóng nhiều người dùng có hai đặc điểm nổi trội: - Giảm nhiễu đa truy nhập để cải thiện dung năng hệ thống - Giảm thiểu hiệu ứng gần-xa Tách sóng nhiều người dùng được phân loại thành một số loại khác nhau, chi tiết cụ thể sẽ được đề cập trong Chương 4.1 so sánh một số loại lược đồ tách sóng nhiều người dùng.1 Đặc điểm một số loại lược đồ tách sóng nhiều người dùng Lược đồ tách sóng Ưu điểm Nhược điểm Tách sóng thông thường - Đơn giản - Dung năng thấp Tách sóng tối ưu - Dung năng cao - Độ phức tạp tính toán tăng theo hàm mũ Tách sóng giải tương quan - Chống được hiệu ứng gần-xa - Độ phức tạp tính toán tăng theo tuyến tính - Độ lợi dung năng lớn đường thẳng - BER rất kém ở SNR thấp Tách sóng MMSE tuyến tính - BER tốt hơn tách sóng giải - Đòi hỏi tính toán biên độ tương quan tuyến tính ở SNR thấp - Đòi hỏi tính toán ma trận chuyển đổi 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Loại bỏ nhiễu - Độ lợi dung năng cao khi được - Cần tính toán biên độ chính xác điều khiển công suất cân bằng Loại bỏ nhiễu liên tiếp - Chống được hiệu ứng gần xa - Trễ bit ở mỗi khâu loại bỏ nhiễu Từ bảng 1.1 chúng ta thấy rằng, lược đồ tách sóng nào tăng đáng kể dung năng kênh thì lại có nhược điểm là độ phức tạp tính toán lại lớn hoặc ngược lại. Như vậy, chúng ta cần phải tìm một lược đồ tách sóng nhiều người dùng mà cân bằng (trade off) được giữa việc tăng dung năng hệ thống và giảm độ phức tạp tính toán. Kỹ thuật tách sóng lặp nhiều người dùng là kỹ thuật đáp ứng được yêu cầu trên.4 TÁCH SÓNG LẶP NHIỀU NGƯỜI DÙNG Trong các máy thu nhiều người dùng thông thường, MUD và mã hóa kênh là hai thành phần riêng rẽ như mô tả trong hình 1. Gần đây, sau sự phát triển mạnh mẽ của mã Turbo, nguyên tắc Turbo được mở rộng như là một kỹ thuật thu.
Các nhà nghiên cứu tìm ra rằng sự tổ hợp của mã hóa kênh và các phần tử khác trong máy thu (tách sóng, ước lượng kênh, đồng bộ) mang lại một độ lợi hiệu năng lớn lao. Máy thu được cấu trúc theo nguyên tắc Turbo được gọi là máy thu lặp hay máy thu Turbo. Mục tiêu của luận văn này là tập trung vào sự tổ hợp của MUD và mã hóa kênh.