6
Mã hóa trên kênh truyền Mục đích của lý thuyết Mã hóa trên kênh truyền (channel encoding theory) là tìm những mã có thể truyền thông nhanh chóng, chứa đựng nhiều mã ký (code word) hợp lệ và có thể sửa lỗi (error correction) hoặc ít nhất phát hiện các lỗi xảy ra (error detection). Các mục đích trên không phụ thuộc vào nhau, và mỗi loại mã có công dụng tối ưu cho một ứng dụng riêng biệt. Những đặc tính mà mỗi loại mã này cần còn tuỳ thuộc nhiều vào xác suất lỗi xảy ra trong quá trình truyền thông. Đối với một đĩa CD thông thường, lỗi trong âm thanh xảy ra chủ yếu là do bụi và những vết xước trên mặt đĩa. Vì thế, các mã được lồng vào với nhau. Dữ liệu được phân bổ trên toàn bộ mặt đĩa. Tuy không được tốt cho lắm, song một mã tái diễn đơn giản có thể được dùng làm một ví dụ dễ hiểu. Chẳng hạn, chúng ta lấy một khối số liệu bit (đại diện cho âm thanh) và truyền gửi chúng ba lần liền. Bên máy thu, chúng ta kiểm tra cả ba phần lặp lại ở trên, từng bit từng bit một, rồi lấy cái nào có số bầu cao nhất. Điểm trái khoáy ở đây là, chúng ta không chỉ truyền gửi các bit theo thứ tự. Chúng ta lồng nó vào với nhau. Khối dữ liệu này, trước tiên, được chia ra làm 4 khối nhỏ. Sau đó chúng ta gửi một bit ở khối đầu tiên, tiếp theo một bit ở khối thứ hai v.v tuần tự qua các khối. Việc này được lặp đi lặp lại ba lần để phân bổ số liệu ra trên bề mặt đĩa. Trong ngữ cảnh của mã tái diễn đơn giản ở trên, việc làm này hình như không được hiệu quả cho lắm. Song hiện nay có những mã có hiệu ứng cao, rất phù hợp với việc sửa lỗi xảy ra đột ngột do một vết xước hay một vết bụi, khi dùng kỹ thuật lồng số liệu nói trên. Mỗi mã thường chỉ thích hợp cho một ứng dụng nhất định. Viễn thông trong vũ trụ (deep space) bị giới hạn bởi nhiễu nhiệt (thermal noise) trong thiết bị thu. Hiện trạng này không xảy ra một cách đột phát bất thường, song xảy ra theo một chu trình tiếp diễn. Tương tự như vậy, modem với dải tần hẹp bị hạn chế vì nhiễu âm tồn tại trong mạng lưới điện thoại. Những nhiễu âm này có thể được biểu hiện rõ hơn bằng một mô hình âm tạp tiếp diễn. Điện thoại di động "Cell phones" hay có vấn đề do sự suy sóng nhanh chóng xảy ra. Tần số cao được dùng có thể gây ra sự suy sóng tín hiệu một cách nhanh chóng (rapid fading), ngay cả khi máy nhận chỉ dời chỗ vài phân Anh (inches) 1 . Một lần nữa, người ta hiện đã có một loại thuộc hạng Mã hóa trên kênh truyền được thiết kế để đối đầu với tình trạng suy sóng.

Convolution code C.docx

Embed Size (px)

Citation preview

M ha trn knh truynMc ch ca l thuytM ha trn knh truyn(channel encoding theory) l tm nhng m c th truyn thng nhanh chng, cha ng nhiu m k (code word) hp l v c th sa li (error correction) hoc t nht pht hin cc li xy ra (error detection). Cc mc ch trn khng ph thuc vo nhau, v mi loi m c cng dng ti u cho mt ng dng ring bit. Nhng c tnh m mi loi m ny cn cn tu thuc nhiu vo xc sut li xy ra trong qu trnh truyn thng. i vi mt a CD thng thng, li trong m thanh xy ra ch yu l do bi v nhng vt xc trn mt a. V th, cc m c lng vo vi nhau. D liu c phn b trn ton b mt a. Tuy khng c tt cho lm, song mt m ti din n gin c th c dng lm mt v d d hiu. Chng hn, chng ta ly mt khi s liu bit (i din cho m thanh) v truyn gi chng ba ln lin. Bn my thu, chng ta kim tra c ba phn lp li trn, tng bit tng bit mt, ri ly ci no c s bu cao nht. im tri khoy y l, chng ta khng ch truyn gi cc bit theo th t. Chng ta lng n vo vi nhau. Khi d liu ny, trc tin, c chia ra lm 4 khi nh. Sau chng ta gi mt bit khi u tin, tip theo mt bit khi th hai v.v tun t qua cc khi. Vic ny c lp i lp li ba ln phn b s liu ra trn b mt a. Trong ng cnh ca m ti din n gin trn, vic lm ny hnh nh khng c hiu qu cho lm. Song hin nay c nhng m c hiu ng cao, rt ph hp vi vic sa li xy ra t ngt do mt vt xc hay mt vt bi, khi dng k thut lng s liu ni trn.Mi m thng ch thch hp cho mt ng dng nht nh. Vin thng trong v tr (deep space) b gii hn bi nhiu nhit (thermal noise) trong thit b thu. Hin trng ny khng xy ra mt cch t pht bt thng, song xy ra theo mt chu trnh tip din. Tng t nh vy, modem vi di tn hp b hn ch v nhiu m tn ti trong mng li in thoi. Nhng nhiu m ny c th c biu hin r hn bng mt m hnh m tp tip din. in thoi di ng "Cell phones" hay c vn do s suy sng nhanh chng xy ra. Tn s cao c dng c th gy ra s suy sng tn hiu mt cch nhanh chng (rapid fading), ngay c khi my nhn ch di ch vi phn Anh (inches)1. Mt ln na, ngi ta hin c mt loi thuc hng M ha trn knh truyn c thit k i u vi tnh trng suy sng.T "L thuyt m ha i s" m ch mt chi nhnh ca l thuyt m ha trn knh truyn, trong c tnh ca m c biu hin bng cc i s v da vo m nghin cu su hn.L thuyt m ha i s c chia ra lm 2 loi m chnh1. M khi tuyn tnh (Linear block codes)2. M kt hp (Convolutional codes)Chng phn tch ba c tnh sau ca m -- ni chung l: Chiu di ca m (code word length) Tng s cc m k hp l (total number of valid code words) Khong cch Hamming ti thiu gia hai m k hp l (the minimum Hamming distance between two valid code words)M khi tuyn tnhM khi tuyn tnh mang tnh nng tuyn tnh (linearity), chng hn tng ca hai m k no y li chnh l mt m k; v chng c ng dng vo cc bit ca ngun trn tng khi mt; ci tn m khi tuyn tnh l v vy (linear block codes). C nhng khi m bt tuyn tnh, song kh m chng minh c rng mt m no l mt m tt nu m y khng c c tnh ny.Bt c m khi tuyn tnh no cng c i din l (n,m,dmin), trong 1. n, l chiu di ca m k, trong k hiu (symbols),2. m, l s k hiu ngun (source symbols) c dng m ha tc thi,3. dmin, l khong cch hamming ti thiu ca m (the minimum hamming distance for the code)C nhiu loi m khi tuyn tnh, nh1. M tun hon (Cyclic codes) (M Hamming l mt b phn nh (subset) ca m tun hon)2. M ti din (Repetition codes)3. M chn l (Parity codes)4. M Reed-Solomon (Reed Solomon codes)5. M BCH (BCH code)6. M Reed-Muller7. M hon ho (Perfect codes)M khi c gn lin vi bi ton "ng gi ng xu" l bi ton gy mt s ch trong nhiu nm qua. Trn b din hai chiu, chng ta c th hnh dung c vn mt cch d dng. Ly mt nm ng xu, nm trn mt bn, ri dn chng li gn vi nhau. Kt qu cho chng ta mt mu hnh lc gic tng t nh hnh t ong. Cc m khi cn da vo nhiu chiu khc na, khng d g m hnh dung c. M Golay2c hiu ng cao, dng trong truyn thng qua khong khng v tr, s dng nhng 24 chiu. Nu c dng l m nh phn (thng thy), cc chiu m ch n chiu di ca m k nh nh ngha trn.L thuyt v m s dng m hnh hnh cu vi s chiu "N". Ly v d, bao nhiu ng xu phi cn ph kn mt mt bn, hay trong khong khng 3 chiu, bao nhiu hn bi phi cn nhi kn mt hnh cu. Nhng cn nhc khc bao gm vic chn la m. Ly v d, do nhi nhmg hnh lc lng vo trong mt ci hp hnh ch nht, chng ta li nhng khong trng cc gc. Khi cc chiu ca hp c tng ln, t l phn trm so snh ca cc khong trng nh i, cho n mt c no y, nhng phn nhi chim ht cc khong khng v m ny c gi m hon ho. S m kiu ny tng i him (Hamming [n,k,3], Golay [24,12,8],[23,12,7],[12,6,6])Mt iu thng b b qua l s lng nhng hng xm k cn (neighbors) m mt m k c th c. Chng ta c th dng li v d cc ng xu y. u tin, chng ta gp cc ng xu li theo cc hng hnh ch nht. Mi mt ng xu c 4 ng k cn (v 4 ci bn gc xa hn). Trong b cc ca hnh lc gic, mi ng xu c 6 ng k cn. Khi chng ta tng s chiu ln, s lng cc ng k cn tng ln mt cch nhanh trng.Kt qu l s lng cc m tp, bn cch cc m chnh, m my thu c th chn, cng tng ln, v do m gy ra li. y chnh l khuyt im cn bn ca m khi, v cng l khuyt im ca tt c cc loi m. C th vic gy li tr nn kh khn hn, nu ch c mt hng xm k cn m thi, song con s cc hng xm k cn c th ln n lm cho chnh tng xc sut li b nh hng (total error probability actually suffers).M kt hpM kt hp (Convolutional codes) c s dng trong cc modem di tn m (voiceband modems) (V.32, V.17, V.34) v trong cc in thoi di ng GSM3, cng nh trong cc thit b truyn thng ca qun i v trang v trong cc thit b truyn thng vi v tinh. nh y l lm cho tt c cc k hiu m k (codeword symbol) tr thnh tng trng s (weighted sum) ca nhiu loi k hiu thng ip trong nhp liu (various input message symbols). N tng t nh ton kt hp c dng trong cc h tuyn tnh bt bin (linear time invariant systems) dng tm xut liu (output) ca mt h thng, khi chng ta bit nhp liu (input) v cc p ng xung (impulse response).Ni chung chng ta tm xut liu ca b m ha kt hp h (system convolutional encoder), tc s kt hp ca nhp liu bit, i chiu vi trng thi ca b m ha kt hp (convolution encoder), hoc trng thi ca cc thanh bin (registers).V c bn m ni, m kt hp khng gip thm g trong vic chng nhiu hn mt m khi tng ng. Trong nhiu trng hp, chng ni chung cho chng ta mt phng php thc thi n gin hn, hn hn mt m khi c hiu qu tng ng (a block code of equal power). B m ha thng l mt mch in n gin, c mt b nh (state memory), mt vi bin php truyn thng tin phn hi bo tnh hnh (some feedback logic), thng l cc cng loi tr XOR (XOR gates). B m ha c th c thc thi trong phn mm hay phn sn (firmware).Thut ton Viterbi (Viterbi algorithm) l mt thut ton ngn gn nht (optimum algorithm) c dng gii m cc m kt hp. Hin c nhng phng php gim c gip vo vic gim khi lng tnh ton phi lm. Nhng phng php ny phn ln da vo vic tm tuyn ng c kh nng xy ra cao nht (most likely paths). Tuy khng ngn gn, song trong mi trng nhiu thp hn, ngi ta thng thy chng cho nhng kt qu kh quan. Cc b iu hnh vi x l hin i (Modern microprocessors) c kh nng thc hin nhng thut ton tm gim c ni trn vi t l trn 4000 m k trong mt giy.Cc ng dng ca l thuyt m haMt quan tm khc ca l thuyt m ha l vic thit k cc m gip vo vic ng b ha (synchronization). Mt m c th c thit k pht hin dch pha sng in (phase shift) v sa li, ng thi cho php nhiu tn hiu (multiple signals) c truyn gi trn cng mt knh. C mt hng loi ca nhng m m chng ta hng ngy thng gp trong cc in thoi di ng ca mnh. Chng c gi l m a truy nhp phn chia theo m (Code Division Multiple Access - vit tt l CDMA). Chi tit v chng thuc phm vi bn ngoi cuc m lun y, song ni mt cch ngn gn, mi ci in thoi c gn cho mt m k (codeword) ly ra t mt hng c bit (special class) (ngnh i S). Trong khi truyn thng, m k c dng xo trn cc bit i biu cho thng ip m thanh (voice message). Ti my thu, mt quy trnh gii xo trn ("descrambling") c tin hnh gii m (decipher) thng ip. c tnh ca hng m k ny cho php nhiu ngi dng (vi cc m khc nhau) s dng cng mt knh truyn rai trong cng mt lc. My thu, dng chu trnh gii xo trn, ch "nghe" thy nhng ngi gi khc nh "nhiu m" thp m thi.Mt hng m ni ting khc na l m Yu cu lp li t ng (Automatic Repeat reQuest - vit tt l ARQ). Trong hng ph qut (general class) ny, my pht cho thm cc bit chn l kim tra (parity check bits) vo cc thng ip di hn bnh thng. My thu kim tra bit chn l ca thng ip thu c v nu n pht hin ra mt s bt ng, n s yu cu my pht truyn tin li thng ip. Hu ht cc mng din rng (wide area networks) v cc giao thc, ngoi tr nhng ci ht sc n gin, u s dng ti truyn thng ARQ. Nhng giao thc thng dng bao gm SDLC (IBM), TCP (Internet), X.25 (Quc t) v nhiu ci khc na. Hin c nhiu nghin cu trn phm vi rng trong lnh vc v ti ny do kh khn trong vic so snh gia mt gi d liu b t b (rejected packet) vi mt gi d liu mi. Gi d liu mi n ny l mt gi mi hay l mt gi c c truyn li? Thng th cc h thng nh s c s dng, tuy nhin trong mt s mng truyn thng, gi d liu c th c mt nh danh khc, hoc vn ny c dnh li cho tng cao hn (ca giao thc) n yu cu truyn thng li. TCP/IP l mt giao thc in hnh s dng c hai k thut. Trong bi cnh kt ni, TCP/IP dnh vic truyn thng li cho mng li truyn thng, v v th n s dng m ha ARQ. Trong mng li v tuyn (wireless network), ngi ta khng s dng ARQ. Thay vo , ngi ta dnh trch nhim ny cho chng trnh ng dng kim nghim gi d liu v yu cu vic truyn thng li khi cn. Vic ny c th nng cao ln n mc i hi ngi dng phi n nt "np li" ("refresh" button) trn mt trnh duyt web. Song, ngay c ci ny hin nay vn trong hng ARQ ang c nghin cu; ngi dng bt buc phi can thip (the user just has to become involved).