Nghiên cứu ứng dụng mã turbo vào hệ thống hạ tầng truyền thông trên cao (tt)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

Dƣơng Đình Trƣờng

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÃ TURBO VÀO
HỆ THỐNG HẠ TẦNG TRUYỀN THƠNG TRÊN CAO

Chun ngành: Kỹ thuật Viễn thơng
Mã số: 60.52.02.08

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2013


Luận văn được hồn thành tại:
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS Lê Nhật Thăng

Phản biện 1: ……………………………………………………………………………
Phản biện 2: …………………………………………………………………………..

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Cơng nghệ Bưu
chính Viễn thơng
Vào lúc:

....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm ...............

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng


1

MỞ ĐẦU
Hệ thống hạ tầng truyền thông trên cao – High Altitude Platform (HAP)
được quan tâm nhiều trong những năm gần đây cho thấy nhu cầu và tính khả dụng
của nó trong việc xây dựng và hình thành mạng truyền thông mới, nhằm khắc phục
những hạn chế của các mạng viễn thông hiện tại (mạng thông tin di động mặt đất,
hệ thống thông tin vệ tinh,…).
HAP cho phép triển khai dễ dàng và nhanh chóng, có khả năng cấu hình lại,
hoạt động chi phí thấp, trễ truyền dẫn thấp, vùng phủ sóng rộng, có khả năng truyền
thơng quảng bá đa hướng, có khả năng di chuyển theo nhiều hướng trong trường
hợp khẩn cấp,… Một đặc điểm quan trọng khác của hệ thống HAP là khi các hệ
thống mặt đất cần một số lượng lớn các trạm gốc để phủ sóng, hệ thống thông tin vệ
tinh GEO lại bị giới hạn về kích thước ơ tối thiểu chiếu lên mặt đất, và các vệ tinh
quỹ đạo thấp LEO gặp phải vấn đề chuyển giao, thì HAP lại được xem là giải pháp
hứa hẹn: nó có thể đảm nhiệm với vai trị là trạm gốc hoặc các nút chuyển tiếp,
thậm chí có thể là một vệ tinh LEO rất hiệu quả.
Mã Turbo được C. Berrou et.al giới thiệu vào năm 1993, loại mã này có đặc
tính sửa lỗi gần với giới hạn Shannon trên kênh nhiễu trắng cộng Gauss-AWGN
(Additive White Gaussian Noise). Với kỹ thuật giải mã lặp khá hiệu quả nên mã
Turbo đã được ứng dụng cho các mạng thông tin di động 3G, 4G…
Với những ưu điểm của mã Turbo, việc nghiên cứu, ứng dụng mã này cho hệ
thống HAP nhằm nâng cao hiệu quả, độ tin cậy cho hoạt động của hệ thống này là
hết sức cần thiết và có ý nghĩa khoa học rất lớn, góp phần nâng cao hơn nữa những
ưu điểm mà hệ thống HAP mang lại. Chính vì vậy, tơi đã lựa chọn đề tài nghiên cứu
này làm luận văn Thạc sỹ của mình.
Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Phó Giáo sư, Tiến sỹ Lê Nhật Thăng,

người đã luôn động viên và chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Cũng qua đây tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, các cô cùng các bạn học viên đã
tạo điều kiện và giúp đỡ để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp của mình.
Hà Nội, ngày tháng 9 năm 2013

Dương Đình Trường


2

CHƢƠNG 1 - MÃ TURBO VÀ ỨNG DỤNG
1.1. Giới thiệu
Mã Turbo (Turbo Code) là mã chập kết nối song song, đây là một loại mã
hóa sửa sai rất hiệu quả đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các mạng truyền
thông hiện nay. Mã Turbo lần đầu tiên được giới thiệu bởi C.Berrou, A.Glavieux và
P.Thitimajshima vào năm 1993. Mã Turbo được nghiên cứu toàn diện vào năm
1996 và kết quả là đạt gần đến giới hạn được Shannon ở trong kênh nhiễu trắng
cộng (AWGN-Addition White Gussian Noise) với bộ ghép xen có kích thước lớn.
Bộ giải mã Turbo cơ bản bao gồm 2 bộ giải mã được nối nối tiếp qua bộ giải ghép
xen với một đường hồi tiếp từ ngõ ra của bộ thứ 2 đến ngõ vào của bộ giải mã thứ 1.
Kỹ thuật giải mã lặp dựa trên thuật toán hậu nghiệm tối đa (MAP-Maximum A
Posteriori) kết hợp với bộ giải mã đầu vào mềm, đầu ra mềm (SISO-Soft In Soft
Out) giúp cho mã Turbo có khả năng chống lỗi cao với độ phức tạp giải mã vừa
phải tại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR-Signal to Noise Ratio) rất thấp.

1.2. Lịch sử ra đời của mã Turbo
Năm 1993, tại hội nghị truyền thông quốc tế, Berrou và các cộng sự đã đưa
ra bộ mã được xây dựng trên cơ sở kết nối song song hai bộ mã chập hệ thống đệ
quy RSC (Recursive Systematic Convolutional).
Các điểm chính của mã Turbo gồm: Bộ giải mã soft in-soft output, hồi tiếp,

giải mã lặp, quá trình truyền của thơng tin trong, thơng tin ngồi, bộ nối song song
và bộ ghép xen. Berrou và các cộng sự của ông đã lựa chọn xây dựng các khối này
trong quá trình xử lý để thử những sai sót gây ra nhằm tối ưu hóa để đạt giới hạn
của Shannon. Như vậy, mã Turbo là loại mã kênh sửa lỗi trước (FEC-Forward Error
Correction) được được tạo ra bằng cách ghép nối các bộ mã chập hệ thống đệ quy.

1.3. Bộ mã hóa Turbo
1.3.1. Tổng quan
Như chỉ ra ở Hình 1.1, bộ mã hóa Turbo bao gồm hai bộ mã hóa thành phần
được phân tách bởi một bộ ghép xen. Hai bộ mã hóa thành phần gồm RSC1 và


3

RSC2 là hai bộ mã chập hệ thống đệ quy với tốc độ mã r1=k/n1 và r2=k/n2. Bằng
việc tách (Puncturing) hợp lý các bit chẵn lẻ tạo ra từ các bộ mã hóa thành phần,
chúng ta có thể có được mã với tốc độ mong muốn.
Các bit hệ thống C1k,s

Các bit thông tin
uk(k)
Các bit chẵn lẻ thứ nhất
C1k,p
Encoder 1

n1-k

Ghép xen

Puncturing

Encoder 2

Các bit
chẵn lẻ

Các bit hệ thống
C2k,s
(Không dùng)
Các bit chẵn lẻ thứ hai C2k,p
n2-k

Hình 1.1: Sơ đồ khối bộ mã hóa Turbo

Tốc độ mã Turbo là r được xác định bằng công thức sau:
r = k/(n1 + n2 - k) = (1/r1 + 1/r2) – 1

(1.1)

1.3.2. Bộ mã chập hệ thống đệ quy (RSC)
Mã chập được P.Elias giới thiệu vào năm 1955 như một sự thay thế cho các
mã khối đang tồn tại. Mã chập sử dụng một thanh ghi dịch tuyến tính để đưa phần
dư vào luồng số liệu với thuật giải mã SOVA khá đơn giản. Khả năng chống lỗi của
mã chập tăng lên khi tăng số lượng các bộ nhớ thành phần. Tuy nhiên, vấn đề này
lại dẫn đến độ phức tạp của bộ giải mã sẽ tăng theo hàm mũ.
Các thông số đặc trưng của mã RSC là số bít đầu vào "k", số bít đầu ra "n"
(trong đó kđược diễn tả bởi đa thức sinh G=[1, g2/g1], trong đó g1 là đa thức hồi tiếp và g2 là
đa thức đại diện cho tính chẵn lẻ.

1.3.3. Bộ ghép xen (Interleaver)


4

Ghép xen là một thành phần thiết yếu của mã Turbo, các nghiên cứu cho thấy
hiệu năng của mã Turbo phụ thuộc vào độ dài và kiểu ghép xen được sử dụng vì cấu
trúc bộ ghép xen có ảnh hưởng trực tiếp đến thuộc tính khoảng cách của các mã
Turbo. Trong mã Turbo người ta đã chứng minh được rằng tỷ lệ lỗi bit tỷ lệ nghịch
với kích thước của bộ ghép xen (N).

1.3.3.1. Bộ ghép xen giả ngẫu nhiên
1.3.3.2. Bộ ghép xen UMTS
1.3.4. Kỹ thuật xóa (Puncture)
Việc sử dụng kỹ thuật Puncture chúng ta có thể đạt được tốc độ mã hóa khác
nhau bằng cách bỏ bớt các bit trong chuỗi xpk1 và xpk2 tương ứng với đầu ra của bộ
mã hóa thành phần thứ nhất (ENC1) và bộ mã hóa thành phần thứ 2 (ENC2)

1.3.5. Bộ kết thúc (Trellis)
Trái ngược với mã khối, mã chập có độ dài cố định. Mã chập là một quá
trình liên tục, và có thể dàn trải tồn bộ thơng tin chứ khơng chỉ là một đoạn hay
một nhóm bit. Mã Turbo có độ dài khối cố định, xác định bởi chiều dài của bộ ghép
xen bit. Tail bits hay còn gọi là bit đuôi thường được chèn vào mỗi khối dữ liệu khi
đi vào bộ mã hóa để chuyển nó sang trạng thái 0 ở mỗi cuối của lưới mã hóa. Q
trình này được gọi là quá trình kết thúc, và cho phép thuật toán MAP giả định về
trạng thái bắt đầu và kết thúc của mã lưới.

1.3.6. Quyết định cứng và quyết định mềm
Chuỗi tin sau khi truyền qua kênh truyền và được giải điều chế (demodulate)
thì sẽ được đưa đến bộ giải mã. Tín hiệu tại ngõ ra của bộ giải điều chế và ngõ vào

của bộ giải mã sẽ quyết định quá trình giải mã là “ cứng ”hay “mềm ”.

1.4. Bộ giải mã Turbo
Thuật toán giải mã tối ưu cho cấu trúc lưới của mã Turbo là thuật toán hợp lệ
cực đại (Maximum Likelihood). Tuy nhiên, với bộ mã hóa Turbo sử dụng bộ ghép


5

xen giả ngẫu nhiên biểu đồ lưới của nó sẽ có rất nhiều trạng thái. Điều này làm cho
việc giải mã Turbo bằng thuật toán hợp lệ cực đại hết sức khó khăn và hầu như
khơng thể thực hiện được khi kích thước bộ ghép xen lớn.
Giải mã lặp là một kỹ thuật rất hiệu quả để giải mã các mã Turbo đạt được
hiệu năng gần tới giới hạn lý thuyết của Shannon.

1.4.1. Kiến trúc bộ giải mã Turbo
Sơ đồ khối của bộ giải mã Turbo tương ứng với bộ mã hóa Turbo ở Hình 1.1
được thể hiện ở Hình 1.5 dưới đây:
L(u)=0

2

1

Bộ giải mã
SISO
DEC1

Le ( u)

I

L1 ( u)

Bộ giải mã
SISO
DEC2

D
D

Le ( u)

L2 ( u)

Lc .y
Đầu ra giải mã
I

Ghép xen

D

Giải ghép xen

Hình 1.5: Sơ đồ bộ giải mã Turbo

Các thuật tốn được sử dụng trong bộ giải mã SISO có thể là thuộc họ thuật
toán MAP hoặc Viterbi. Tổng quan về các họ mã trên được trình bày dưới đây:

6
Các thuật tốn giải mã dựa
trên Trellis

Viterbi

SOVA

SOVA cải tiến

MAP

Max-Log-MAP

Log-MAP

Hình 1.6: Các thuật toán giải mã dựa trên Trellis

1.4.2. Thuật toán Log-MAP

Hình 1.7: Bộ giải mã lặp Log-MAP

Giải thuật giải mã được thực hiện như sau:


7

1. Tách tín hiệu nhận ra thành 2 chuỗi tương ứng cho bộ giải mã 1 và bộ giả
mã 2 .

2. Ở vịng lặp đầu tiên, thơng tin a priori của bộ giải mã 1 được đưa về 0.Sau
khi bộ giải mã 1 đưa ra được thơng tin extrinsic thì sẽ được chèn và đưa tới
bộ giải mã 2 đóng vai trị là thơng tin a priori của bộ giải mã này.Bộ giải
mã 2 sau khi đưa ra thông tin extrinsic thì vịng lặp kết thúc.Thơng tin
extrinsic của bộ giải mã thứ 2 sẽ được giải chèn và đưa về bộ giải mã 1 như
là thông tin a priori .
3. Quá trình giải mã giải mã cứ lặp lại như vậy cho đến khi thực hiện đủ số lần
lặp đã qui định .
4. Sau vòng lặp cuối cùng ,giá trị ước đốn có được tính bằng cách giải chèn
thơng tin ở bộ giải mã thứ 2 và đưa ra quyết định cứng.

1.4.3. Bộ giải mã SOVA
Bộ giải mã thành phần SOVA ước đoán chuỗi tin tức qua việc sử dụng một
trong 2 luồng bit mã hóa được sinh ra bởi bộ mã hóa Turbo. Hình 1.8 trình bày ngõ
vào và ngõ ra của bộ giải mã thành phần SOVA.
u’

L(u)
L cy

SOVA

L(u’)

Hình1.8: Bộ giải mã thành phần SOVA

Bộ giải mã thành phần SOVA xử lý các ngõ vào (tỉ lệ logkhả năng xảy ra)
L(u) và Lcy trong đó :
+ Chuỗi "a priori information" của chuỗi tin u được ký hiệu lại là L(u) cho
phù hợp với các ký hiệu đã sử dụng trong giải mã SOVA tổng quát

+ Lcy là chuỗi nhận được đã qua cân bằng cũng như giải mã Log-MAP
Chuỗi y được nhận qua kênh truyền. Tuy nhiên, chuỗi L(u) được sinh ra và
được lấy từ bộ giải mã thành phần SOVA có trước đó. Nếu khơng có bộ giải mã


8

thành phần SOVA trước đó thì sau đó khơng có các giá trị "a priori". Vì vậy, chuỗi
L(u) được khởi động đến chuỗi tất cả zero.
Bộ giải mã thành phần SOVA cho ra các ngõ ra u’ và L(u’) trong đó :
+ u’ là chuỗi tin ước đốn.
+ L(u’) là chuỗi thông tin posteriori.

1.5. Ứng dụng của mã Turbo trong các hệ thống thơng tin vơ tuyến
Qua phần trình bày, phân tích ở trên có thể kết luận rằng: Mã Turbo với kỹ
thuật giải mã lặp cùng bộ giải mã SISO tương ứng là loại mã có khả năng chống lỗi
tốt nâng cao hiệu năng cho các hệ thống thông tin và đáp ứng được những đòi hỏi
khắt khe của các loại dịch vụ nhạy cảm với thời gian như thoại, video (BER nhỏ
hơn hoặc bằng 10-6) tại mức SNR rất thấp và mã Turbo đã chứng minh được sự ưu
việt vượt trội hơn các mã ra đời trước nó. Bên cạnh đó, mã Turbo cũng gặp phải
một số hạn chế nhất định, đặc biệt là trong truyền thông không dây, cụ thể như sau:
- Đối với nhiều kênh truyền thì mơ hình kênh AWGN với nhiễu tĩnh rất thích
hợp. Tuy nhiên, trong mơi trường khơng dây thì thường khơng tĩnh do có fading của
các tín hiệu truyền. Fading là hậu quả bản chất vật lý của kênh truyền với độ tăng
giảm biên độ là một quá trình ngẫu nhiên biễu diễn bởi một hàm mật độ xác suất và
một hàm tự tương quan.
Trong kênh AWGN, các bit chỉ bị tác động bởi nhiễu :
Yk = axk + nk ; với nk là nhiễu và a = 1 đối với kênh AWGN
Trong fading Rayleigh, các từ mã bị tác động bởi cả nhiễu và fading biến đổi
theo thời gian trong kênh vô tuyến di động.

yk = axk + nk với nk là nhiễu và a là một biến ngẫu nhiên của phân bố fading
Rayleigh.
Phân bố fading Rayleigh thường được sử dụng để mô tả bản chất thay đổi
theo thời gian, theo thống kê của đường bao nhận được của một tín hiệu fading


9

phẳng, hay đường bao của một thành phần riêng lẻ trong hệ thống đa đường. Phân
bố Rayleigh là một hàm mật độ xác suất cho bởi :
P(r) =

r



2



e

r2

2

P(r) = 0

với r<0
với r  0

Kênh truyền trong truyền thông không dây có mức nhiễu cao hơn ở mơi
trường truyền dây. Vì thế các mã kênh phải có đủ khả năng đương đầu với mức
nhiễu lớn. Đặc biệt nếu dùng trong công tác nghiên cứu vũ trụ thì mức nhiễu cịn
cao hơn nữa.
Để triệt fading thì cịn có nhiều cách khác nhau ví dụ như trải phổ. Khi đã
triệt được một phần fading và sử dụng thêm mã Turbo nữa thì chất lượng đạt được
sẽ rất cao.
Ngồi ra, mơi trường truyền cịn ln ln biến đổi. Ví dụ như một th bao
điện thoại di động có thể vừa đàm thoại vừa di chuyển, môi trường truyền xung
quanh cũng biến đổi, thông số mơi trường cũng thay đổi. Chính vì sự bất ổn định
của kênh truyền mà việc tìm được một loại mã thích hợp là một việc rất khó khăn.
Và đây chính là lĩnh vực ứng dụng chủ yếu của mã Turbo nhờ các đặc tính ưu việt.
- Hạn chế về thời gian:
Trong truyền thơng khơng dây thì kích thước khung truyền khơng được lớn
vì:
* Kênh truyền khơng tin cậy, nếu truyền khung lớn thì tỉ lệ lỗi trong khung
sẽ cao hơn. Nếu khung bị mất hay khơng thể khơi phục thì dữ liệu tại đầu nhận sẽ bị
mất.
* Do đặc tính thời gian thực nên không chấp nhận độ trễ lớn khi truyền một
khung có kích thước lớn.


10

Như vậy, với kích thước khung nhỏ thì khơng tận dụng được các đặc tính ưu
việt của mã Turbo.
- Băng thông giới hạn: Truyền thông không dây chỉ sử dụng một khoảng phổ
tần số đã được phân, mỗi công ty điện thoại di động lại chỉ được phân cho một khu
vực trong khoảng này để cung cấp dịch vụ cho khách hàng. Như vậy băng thơng rất

hạn chế có nghĩa là mơ hình mã hóa phải có càng ít bit dư thừa càng tốt, tức là đòi
hỏi tốc độ mã cao.
Trên thực tế, mã Turbo đã được nghiên cứu và ứng dụng cho truyền thông
không dây như: thông tin vệ tinh, thông tin di động 3G, 4G/LTE.

1.5.1. Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống di động 3G – UMTS/ WCDMA
Bộ mã Turbo được đề xuất đưa vào mơ hình mơ phỏng hệ thống UMTS gồm
các tham số sau: Tốc độ mã r =1/2 sử dụng hai mã RSC thành phần kết nối song
song với số lượng các bộ nhớ dùng trong RSC là m=2 (hoặc m=4), bộ ghép xen giả
ngẫu nhiên có kích thước N=640 với thuật tốn giải mã lặp Log-MAP. Kết quả cho
thấy đặc tính quan hệ BER và SNR của mã Turbo tốt hơn nhiều so với mã chập kết
nối nối tiếp ở cùng giá trị m, như chỉ ra trên Hình 1.11
1.0E+00

1.0E-01

BER

1.0E-02

1.0E-03

Turbo code
(m=2)

1.0E-04

SCCC (m=2)

1.0E-05

1.0E-06
1

2

3

4

5

6

6.5

7

7.5

8

Eb /N 0 in dB

Hình 1.11: Đặc tính quan hệ BER và SNR của mã Turbo và mã chập
kết nối nối tiếp với m=2, qua kênh Rayleigh tại lần lặp thứ 3 [1]


11

1.5.2. Ứng dụng mã Turbo trong mạng 4G/LTE-Advanced
Mã Turbo được đề xuất cho 4G/LTE có tốc độ mã r=1/3 với hai bộ mã RSC
thành phần 8 trạng thái (m=3) và một bộ ghép xen, sử dụng thuật toán giải mã lặp
Max-log-MAP.
Kết quả đánh giá hiệu năng mã Turbo trong hệ thống thống 4G/LTE được
chỉ ra trên Hình 1.12

Hình 1.12: Đặc tính quan hệ BER và SNR của mã Turbo và mã chập trong
hệ thống 4G/LTE-Advanced trên kênh AWGN (a) và Rayleigh (b), SISO [1]

1.5.3. Ứng dụng mã Turbo trong thông tin vệ tinh
Trên thực tế mã Turbo đã được ứng dụng trong các vệ tinh thông tin nhằm
nâng cao hiệu năng của hệ thống, đảm bảo an ninh thông tin,.. có thể liệt kê một số
hệ thống vệ tinh có sử dụng mã Turbo như sau: Inmarsat, SKYPLEX, iPSTAR,
Satellite TV,…
Như vậy, với những ưu điểm của mình, mã Turbo đã được ứng dụng trong
tất cả các mạng truyền thông từ mạng mặt đất đến mạng không gian, vũ trụ. Đây là
kết quả đáng lưu tâm, đã đánh giá đúng khả năng và hiệu quả của mã Turbo trong
các hệ thống thơng tin có tốc độ cao, địi hỏi BER thấp. Vì vậy, việc ưu tiên nghiên
cứu xem xét ứng dụng mã Turbo nhằm nâng cao hiệu năng cho các mạng truyền
thông mới, ra đời sau này là yêu cầu tất yếu.


12

1.6. Kết luận Chƣơng 1
Qua các nội dung nghiên cứu, tìm hiểu ở trên chúng ta dễ dàng thấy được,
mã Turbo là loại mã kênh có rất nhiều ưu điểm so với các loại mã kênh khác như
thuật toán giải mã lặp hiệu quả, khả năng chống lỗi cao,… và những ưu điểm này sẽ
càng được phát huy ở các mạng băng rộng và khi khả năng tính tốn của thiết bị

liên tục được cải thiện. Trên thực tế, mã Turbo đã được ứng dụng trong hầu hết các
mạng viễn thông hiện tại. Hệ thống hạ tầng truyền thông trên cao (HAP), là mạng
truyền thông mới, được đánh giá sẽ chứa đựng đầy đủ các ưu điểm của mạng truyền
thông mặt đất và truyền thông vệ tinh. Hiện nay, nhiều nước phát triển như Mỹ,
Nhật Bản, Australia,… đã tổ chức nghiên cứu và triển khai thử nghiệm HAP và đã
gặt hái được những kết quả ban đầu. Một trong những nghiên cứu quan trọng quyết
định trực tiếp đến việc thiết kế, triển khai các loại dịch vụ là việc khảo sát, đánh giá
hiệu năng hệ thống HAP, trong đó việc nghiên cứu ứng dụng mã Turbo vào hệ
thống HAP là khá hấp dẫn. Trước hết, chúng ta sẽ làm rõ các vấn đề liên quan đến
hệ thống HAP ở Chương 2.

CHƢƠNG 2 - TỔNG QUAN HỆ THỐNG
HẠ TẦNG TRUYỀN THÔNG TRÊN CAO
2.1. Định nghĩa và các đặc điểm của hạ tầng truyền thông trên cao
Trong hội nghị truyền thông vô tuyến thế giới (WRC) năm 1997, trong các
quy tắc về vô tuyến RR số S1.66SA, hệ thống truyền thông trên cao (HAP) đã được
định nghĩa là “một trạm được đặt trên một vật thể ở độ cao từ 20km~50km và tại
các điểm cố định, danh định, xác định so với mặt đất”.
Ớ đây ta sử dụng một thiết bị bay chuẩn dừng cung cấp các công cụ để cung
cấp dịch vụ cho một khu vực rộng lớn. Thiết bị này được phóng lên độ cao trong
khoảng từ 17 đến 22km và có thể ở lại đó nhiều giờ, có khi nhiều ngày.
HAP có 3 đặc điểm chính cần xem xét sau đây, đó là độ cao của HAP, thiết
bị bay sử dụng và vùng phủ của HAP.

2.1.1. Độ cao của HAPS


13

Tầng bình lưu là một phần của khí quyển trái đất, khí quyển trái đất bao gồm

một số lớp riêng biệt, tầng đối lưu là tầng thấp nhất.
Tầng đối lưu kéo dài từ mặt đất đến độ cao khoảng 11km. Ở tầng đối lưu,
nhiệt độ khơng khí nhìn chung giảm theo độ cao, áp suất khơng khí cũng giảm, từ
khoảng 1000hPa tại mực nước biển đến khoảng 200hPa tại độ cao 10km. Xấp xỉ
80% tổng lượng khơng khí phân bố ở đây, và hầu như tất cả các hiện tượng thời tiết
cũng xuất hiện ở tầng này.
Tầng bình lưu là tầng tiếp theo, nằm trong độ cao khoảng từ 10 đến 50km.
Tầng bình lưu được đặc trưng bởi tính chất ổn định tĩnh cao cùng với nhiệt độ tăng
theo độ cao và có gió nhẹ. Ở tầng bình lưu khơng có mây, điều này cho phép sử
dụng năng lượng mặt trời một cách tối ưu.

Hình 2.1: Tốc độ gió, nhiệt độ tại các độ cao khác nhau
và các giá trị áp suất khí quyển

Tại các độ cao 17-25km, HAP cần phải tuân theo các quy tắc hàng không và
không cần những yêu cầu chất lượng không gian quá khắt khe như ở thông tin vệ
tinh. Và để thực hiện tốt nhiệm vụ của mình thì đương nhiên HAP sẽ phải có các
phân hệ phù hợp.


14

2.1.2. Thiết bị bay chuẩn dừng
HAP có thể sử dụng các tàu bay có người lái hoặc khơng người lái, hoặc các
thiết bị LTA đặt ở trong tầng bình lưu.
Có một vài lý do thích đáng cho việc sử dụng một loại khí cầu/máy bay như
một trạm cho các hệ thống truyền thơng khơng dây băng rộng/băng hẹp ví dụ như:
(1) Các cơ sở hạ tầng khơng địi hỏi một đầu tên lửa đẩy, ví dụ chúng có thể
đứng n hay di chuyển bởi năng lượng riêng của chúng, và chúng có thể
được mang xuống mặt đất để tân trang lại và triển khai lại.

(2) Mỗi một lần một cơ sở hạ tầng đạt tới vị trí cuối cùng thì ngay lập tức nó
sẽ bắt đầu hoạt động trong vùng dịch vụ mà không cần phải triển khai
một cơ sở hạ tầng toàn cầu hay chùm cơ sở hạ tầng để hoạt động.
(3) Độ cao của cơ sở hạ tầng cho phép hệ thống cung cấp việc tái sử dụng
tần số và vì thế dung lượng (capacity) cao hơn các hệ thống khơng dây
khác.
(4) Mỗi cơ sở hạ tầng có thể phục hồi sửa chữa được, có thể nâng cấp, phóng
lại mà khơng gián đoạn dịch vụ.
(5) Tại độ cao tầng bình lưu cung cấp cho các thuê bao đường truyền ngắn
tới cơ sở hạ tầng xuyên qua bầu khí quyển và đường nhìn thẳng khơng bị
che chắn.
(6) Với việc sử dụng các anten nhỏ và có u cầu cơng suất thấp, HAPS cho
phép sử dụng rộng rãi các thiết bị đầu cuối người sử dụng di động hoặc
cố định để đáp ứng hầu hết bất kỳ yêu cầu dịch vụ nào.

2.1.3. Vùng phủ
Một hệ thống HAP được triển khai với hệ thống anten nhiều búp sóng có khả
năng định hướng tới rất nhiều vị trí trong vùng phủ của nó. ITU-R đã định nghĩa ba
vùng phủ: vùng đơ thị (UAC), vùng ngoại ô (SAC) và vùng nông thôn (RAC) được


15

xác định bởi vị trí máy thu, ví dụ như vùng phủ phụ thuộc vào góc tà nhỏ nhất được
chấp nhận từ vị trí thuê bao và khoảng cách từ điểm cơ sở hạ tầng con (SPP).
Bảng 2.1: Các đặc điểm của bán kính vùng phủ đối với HAP

Khu vực

Bán kính vùng phủ (Km)

Góc nâng (độ)
α

h= 21 Km

h= 25 Km

UAC

90-30

0-36

0-43

SAC

30-15

36-76.5

43-90.5

RAC

15-5

76.5-20.3

90.5-234
(Nguồn:ITU-T)

2.2. Mạng lƣới HAP
Mạng HAP có thể được mơ tả là sự sắp xếp các liên kết giữa thiết bị dưới
mặt đất và trạm trên tầng bình lưu và trên vệ tinh, điều này độc lập với việc mã hóa,
điều chế, các phương pháp truy nhập. Sự sắp xếp này gọi là kiến trúc mạng hoặc là
cấu hình mạng HAP. Hình 2.4 cho chúng ta một ví dụ về một kiến trúc chung của
HAP.

Vệ tinh

HAPS

HAPS khác

Trạm mặt
đất
17-22 Km
Mạng cố định

Người sử
dụng

Các ô

Vùng phủ HAPS
200 Km

Hình 2.4: Kiến trúc chung của hệ thống HAP

16

2.3. Các khuyến nghị vô tuyến đối với HAP
Tại hội nghị truyền thông vô tuyến thế giới (WRC) năm 1997, người ta đã
thống nhất các băng tần 47,2/47,5 GHz và 47,9/48,2 GHz cho hoạt động của HAP
với các dịch vụ cố định.
Tại WRC 2000 người ta quy định sử dụng băng tần 1885/1980, 2010/2015
và 2110/2170 MHz ở các khu vục 1 và 3. Băng tần 1885/1980 và 2110/2160 MHz ở
khu vực 2.
Tiềm năng của HAP đó là trong dải băng tần 28/31 GHz. Dải băng 47/48
GHz thì nhạy cảm hơn so với suy hao do mưa gây ra.
WRC 2007 đã công bố các quy định tập trung vào việc bảo vệ, đề phịng
nhiễu và hiệu quả phổ tần vơ tuyến. Việc chọn lựa phổ tần phải dựa trên hai yếu tố
chính sau đây:
Một là, tần số đó phải được chia sẻ, tương thích với các dịch vụ khác được
xem xét.
Hai là, truyền dẫn tại một vài tần số sẽ gây ra hiện tượng hấp thụ, suy hao và
nhiễu nhiều hơn. Tần số nên được chọn lựa để giảm thiểu chi phi truyền tải và tối đa
tốc độ thông tin mà nó mang theo.

2.4. Các ứng dụng và dịch vụ
2.4.1. Lựa chọn các dịch vụ khả thi
Trong công nghệ viễn thông hạn chế quan trọng nhất đó là cơng suất khả
dụng của tải trọng, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của đường liên kết.
Tiêu chí để lựa chọn các ứng dụng:
 Tính khả thi triển khai: Liên quan đến việc tuân thủ các hạn chế bị áp đặt
bởi nền tảng, về khối lượng tải và công suất khả dụng. Các điều kiện cụ
thể liên quan đến vị trí của ứng dụng, đặc điểm của các ứng dụng. Ví dụ

như sự phân tích về khơng gian, thời gian, vùng phủ hay kích cỡ của các
tế bào cho các ứng dụng viễn thông.


17

 Triển khai thực tế: Đây là một vai trò quan trọng trong việc giải quyết các
vấn đề công nghệ với ưu điểm hơn so với các giải pháp khác.

2.4.2. Các yêu cầu về ứng dụng và dịch vụ
Một HAP có thể trao đổi thơng tin với nhiều trạm đặt trên mặt đất. Loại hình
thơng tin nào được truyền qua đường vơ tuyến là đặc điểm quan trọng. HAP có một
số yêu cầu sau đây:
 Yêu cầu về tốc độ dữ liệu
 Truyền dẫn đơn hướng, song hướng
 Truyền dẫn liên tục, khơng liên tục
 Phân bổ sóng mang và băng thông truyền dẫn
 Chất lượng của đường truyền
 Độ khả dụng của hệ thống 99%
 Trễ cho phép là 100ms
 Sự thay đổi trễ cho phép: biên độ, tốc độ thay đổi (jitter).
Theo ITU-R tốc độ là một thông số quan trọng để phân biệt dịch vụ băng hẹp
hay băng rộng. Khi tốc độ truyền dẫn < 2Mbps thì dịch vụ đó là dịch vụ băng hẹp.
Tất cả các dịch vụ viễn thông dù băng rộng hay băng hẹp đều có thể chia
thành:
 Các dịch vụ cá nhân
 Các dịch vụ đối xứng hoặc không đối xứng
 Dịch phụ thời gian thực và phi thời gian thực
 Dịch vụ phân phối (radio, TV…)

2.4.3. Các dịch vụ băng hẹp
 Y tế từ xa
 Thương mại điện tử
 Giám sát giao thông và môi trường
 Điều hướng và định vị
Tốc độ bit của các ứng dụng này thay đổi từ 10 đến 100Kbps.


18

2.4.4. Các dịch vụ băng thơng rộng
Có 4 loại dịch vụ băng rộng cho HAP được ITU-T và ITU-R đề xuất:
 Dịch vụ đàm thoại (voice, video…)
 Dịch vụ trực tuyến (thời gian thực, television…)
 Dịch vụ truy cập dữ liệu tương tác (Web)
 Truyền file (gmail, FTP…)

2.5. Các ƣu điểm và khó khăn thách thức của HAP
2.5.1. Các ưu điểm của HAP
Vùng phủ của HAP nhỏ hơn thông tin vệ tinh nhưng lại lớn hơn nhiều so với
hệ thống thơng tin mặt đất. Người ta tính tốn rằng một thiết bị HAPS có thể phủ
được một vùng rộng lớn và có thể tương đương vùng phủ của rất nhiều trạm gốc
(BS). Đây cũng là một nguyên nhân khiến cho chi phí triển khai HAPS rẻ hơn so
với thơng tin mặt đất.
Độ cao của HAP nhỏ hơn nhiều so với thông tin vệ tinh, điều nay khiến cho
trễ truyền lan và thời gian hồi đáp thấp hơn. Chi phí triển khai, bảo dưỡng cũng
nhờ đó cũng giảm đi và thời gian triển khai sẽ nhanh hơn so với một hệ thống
thơng tin vệ tinh điển hình.
Ưu điểm quan trọng nhất đó là dung lượng của HAP là rất lớn. Tần số vô
tuyến được tái sử dụng. Hệ thống HAP rất linh hoạt và thích ứng tốt với sự phân bổ

tài ngun vơ tuyến.

2.5.2. Các khó khăn, thách thức
a) Suy hao do mưa/và tổn hao truyền sóng.
b) Chia sẻ tần số và tương thích với các hệ thống khác.
c) Các kỹ thuật giảm thiểu tác động của nhiễu

2.6. Kết luận Chƣơng 2
Các công nghệ tiên tiến liên tục được phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày
càng tăng không chỉ là truyền thơng tốc độ dữ liệu cao mà cịn là các dịch vụ phù
hợp. Hệ thống thông tin mặt đất như hệ thống tháp mặt đất và hệ thống không gian


19

cơ sở như hệ thống thông tin vệ tinh đã được sử dụng rộng rãi làm nền tảng cho sự
phát triển công nghệ của các hệ thống truyền thông không dây.
HAP được coi là hệ thống cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc thứ ba. Với nhiều
lợi thế như: vùng phủ sóng rộng, trễ truyền lan thấp và thân thiện với môi trường,
HAP đã và đang được nhiều nước quan tâm nghiên cứu triển khai thử nghiệm. Bên
cạnh việc sử dụng HAP cho các dịch vụ cố định băng rộng, HAP có thể cung cấp
các dịch vụ di động trong tương lai, hỗ trợ cho mạng cảm biến không dây, TV di
động…

CHƢƠNG 3 – ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG HẠ
TẦNG RUYỀN THÔNG TRÊN CAO SỬ DỤNG MÃ TURBO
3.1. Kịch bản vô tuyến điện
Truyền thông từ HAP tới mặt đất có thể được xem như là truyền thơng vô
tuyến từ một điểm đến đa điểm (Point-to-Multipoint). Một vấn đề mở là hiệu năng
của các hệ thống này liệu có khác với các hệ thống viễn thơng di động và cố định

mặt đất. Từ quan điểm lý thuyết về truyền dẫn số, mơ hình kênh hàng khơng là
quan trọng để xem xét. Tuyến thông tin giữa HAP và đầu cuối cố định/di động
mặt đất và các trạm có thể được mơ hình và xem xét phân tích tác động ảnh hưởng
như thế nào từ các đối số thống kê và hình học.
Ta xem xét kịch bản vơ tuyến điện sau:
Đường truyền tín hiệu vơ tuyến từ HAP đến mặt đất và ngược lại bị ảnh
hưởng bởi kênh hàng không trong nhiều cách, nhưng ảnh hưởng quan trọng nhất
liên quan đến hiện tượng đa đường. Kịch bản để xem xét kênh hàng khơng này có
thể được định nghĩa gồm ba vùng UAC, SAC và RAC như đã trình bày chi tiết ở
Chương 2.
Hình 3.1 mơ tả một máy thu phát đặt trên cao và một máy thu phát dưới mặt
đất. Đối với đường xuống, có ba đặc điểm như sau:
+) Đường truyền trực tiếp (LOS): tín hiệu được hiệu chỉnh từ hạ tầng.


20

+) Góc nâng "α": Góc được xác định bởi khoảng cách ngang, "r", và chiều cao
của hạ tầng, "h". Thay đổi góc nâng sẽ làm thay đổi trễ của các tín hiệu nhận được
và làm gia tăng hiện tượng đa đường.
+) Hiện tượng che tối (Shadows): Sự di chuyển của máy thu vào khu vực mà
góc nâng nhỏ hơn 450 sẽ gây ra hiện tượng che tối.

Hình 3.1: Tia trực tiếp và tia phản xạ [6]

Máy phát Tx được gắn trên hạ tầng còn máy thu Rx được đặt ở dưới đất. Hình
vẽ cũng chỉ ra hai tia: tia trực tiếp( LOS) và tia phản xạ ở máy thu. Do vậy tín hiệu
thu được là sự xếp chồng của hai tín hiệu đi theo hai tia đó. Các tham số và các biến
số được xem xét:
dLOS = h/sin(α)

deco 

 r  r 

2

 h 2  r

r = h/tg(α)
r: khoảng cách nằm ngang tính từ điểm SPP đến máy thu
a) Thời gian trễ được xác định là khoảng thời gian dơi ra khi tín hiệu đi theo
đường vịng so với khoảng thời gian mà tín hiệu đi theo đường LOS.
b) Biên độ trễ


21

Tổn hao truyền sóng trong khơng gian tự do được định nghĩa :
FSL= 20Log(4πd/ λ) dB

(3.5)

3.2. Mối quan hệ giữa các khía cạnh hình học và thống kê
Theo quan điểm thống kê, hàm mật độ xác suất của tín hiệu tại máy thu R x
là:
pdfRice=

.I0(r.rs/σ2). exp(-(r2 + rs2)/2 σ2)

(3.9)

trong đó σ2 là phương sai, I0 là hàm bessel loại 1, r là trị đường bao tín hiệu tại
thời điểm xét r ≥ 0. rs tổng bình phương các kỳ vọng.
Người ta gọi hệ số K là hệ số Rice và định nghĩa nó như sau:

K    20 Log 




 dB
2
2
 r  r   h  r 
h / sin  

(3.12)

Khi α ≤ 120 thì K ≤ 0, kênh vơ tuyến lúc này mang đặc tính kênh Rayleigh,
khi đó sẽ khơng có tia LOS mà chỉ có các tia phụ.
Khi α→ 900 thì K→∞, kênh mang đặc tính kênh Gauss, lúc này khơng tồn
tại tia phụ nữa cơng suất tín hiệu thu nhận được chỉ từ tia trực tiếp,
Khi 120 < α < 900 thì 0Với cách xem xét này ta viết lại hàm mật độ xác suất theo tham số mới K(α)
như sau:

 10K  /10 2 2   2r10K  /10 
2r10K  /10
pK    r  
exp  

 r  rs  Io  r 
2
rs 2
r
s
s

 


(3.12)

Bên cạnh các mơ hình kênh được đưa ra theo quan hệ giữa yếu tố hình học
và thống kê thì một loại mơ hình kênh khác khá phổ biến trong điều kiện thực tế là
mơ hình kênh shadow fading (fading do che khuất) hay còn gọi là Lognormal cần
được nghiên cứu ở đây.
Mật độ phổ công suất của kênh Lognormal được cho bởi công thức sau:


22
 ln r   2 
f (r ) 
exp 

2 2 
r 2

1

r0

(3.13)

Ở đây r là đường bao biên độ,  là giá trị trung bình của log(r) và  2 là
phương sai của log(r).

3.3. Mơ hình mơ phỏng

Hình 3.6: Sơ đồ khối mơ hình mơ phỏng hệ thống HAP sử dụng mã Turbo

Các tham số sử dụng trong mơ hình cụ thể được cho dưới đây:
 Tần số sóng mang f0= 2GHz;
 Bộ mã hóa Turbo, tốc độ mã hóa R=1/2 với hai khối mã RSC thành phần
nối song song.
 Thuật toán giải mã Log-MAP
 Bộ ghép xen ngoài dùng bộ ghép xen khối 1280x12 (UMTS)
 Điều chế QPSK
 Độ cao của hạ tầng: h = 25km
 Delta r = 0.001h = 25m
 K(α) =10dB; K(α) = 0; K(α) →∞ tương ứng với 3 vùng phủ
 Δτmin = 0.142 μs
 Δτmax = 0.166 μs


23

 Băng thông Bc = 1/ 2π.Δr = 958.64 Khz
 vplatform= 100km/h
 vmobile= 50km/h
 Trải Doppler lớn nhất fd= fp + fm= ( vp+ vm).f0/c = 296.29Hz

CHƢƠNG 4 – KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Kết quả lấy tại lần giải mã lặp thứ 6 của mã Turbo, ta thu được các hình vẽ
kết quả như dưới đây:
Hình 4.4 cho thấy với kênh AWGN tỷ số BER dễ dàng đạt được ở 10-6 tại
SNR = 3,5dB, trong khi đó với kênh Rayleigh phải với SNR=5dB thì BER mới đạt
cỡ 10-5.
Tương tự chúng ta cũng dễ dàng thấy được với các kênh Ricean có thể đạt
được BER cỡ 10-6 nhưng địi hỏi SNR ở mức cao khoảng 5dB và kênh Lognormal
có thể đạt được BER cỡ 10-4 tại cùng SNR là 5dB.

Hình 4.4: Đặc tính quan hệ BER và SNR qua kênh AWGN, Ricean,
Rayleigh và Lognormal