Khóa luận Kỹ thuật Wavelet trong ADSL

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Vũ Văn Khang KỸ THUẬT WAVELET TRONG ADSL KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Nghành: Điện tử - Viễn thông HÀ NỘI – 2005 i Tóm tắt Đường dây thuê bao số bất đối xứng (ADSL) là một công nghệ truy cập với băng thông rộng, có thể cung cấp băng thông rộng dùng sở hạ tầng hiện hữu của đường dây điện thoại bằng đồng. Mục đích của khoá luận là đánh giá kĩ thuật wavelets trong ADSL. Từ khi áp dụng kĩ thuật Wavelet thành công cho việc mã nguồn, nhiều tác giả khác nhau đã đề xuất việc sử dụng kĩ thuật Wavelet trong phương pháp biến điệu đa sóng mang (MCM) bằng cách dùng đa sóng mang rời rạc sử dụng Wavelet (DWMT) thay vì đa sóng mang rời rạc dùng phép Fourier (DMT). Mục tiêu của khoá luận là đánh giá chất lượng của wavelet phân đôi (dyadic wavelet) dùng làm sóng mang trong MCM hoặc DMT trong ADSL, bằng cách mô phỏng kĩ thuật MCM sử dụng Matlabs. Cuối cùng chúng ta áp dụng và mô phỏng DMT dựa trên wavelet cho một vòng thuê bao ADSL chuẩn quốc tế ITU. ii Lời cảm ơn Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các Thầy giáo, cô giáo trường Đại học Công nghệ đã dạy và giúp đỡ em trong suốt 4 năm học tại trường. Đặc biệt, em chân thành cám ơn thầy giáo hướng dẫn, Gs. Nguyễn Đình Thông, Thầy đã tận tình hướng dẫn em thực hiện toàn bộ khoá luận này. Em cũng chân thành cám ơn thầy giáo Nguyễn Quốc Tuấn đã giúp em thực hiện và hoàn thành khoá luận. Đồng thời em cũng gửi lời cám ơn tới gia đình em, cùng các bạn sinh viên, những người luôn ủng hộ và giúp đỡ trong quá trình học cũng như trong thời gian thực hiện khoá luận. Hà Nội 05/06/2005 Sinh viên: Vũ Văn Khang iii Mục lục Tóm tắt..................................................................................................................i Lời cảm ơn............................................................................................................ii Mục lục .................................................................................................................iii Các thuật ngữ viết tắt............................................................................................v Chương 1. Giới thiệu 1.1 Nền tảng của công nghệ ADSL .............................................................1 1.2 Mục đích của khoá luận.........................................................................1 1.3 Tổ chức của khoá luận...........................................................................2 Chương 2. Cơ bản về ADSL 2.1 Tập hợp xDSL .......................................................................................3 2.2 Kiến trúc của những hệ thống băng rộng dựa trên ADSL.....................4 2.3 Lớp vật lý...............................................................................................5 Chương 3. Những lý thuyết căn bản 3.1 Toán học ................................................................................................7 3.1 Lý thuyết viễn thông..............................................................................9 Chương 4. Kĩ thuật đa tần số 4.1 Giới thiệu sự truyền dẫn đa tần rời rạc ..................................................11 4.2 Hiểu ý nghĩa của tín hiệu biểu tượng truyền đi .....................................13 4.3 Việc dùng tiền tố vòng cho chuỗi kí tự .................................................16 4.4 Kênh ADSL và những vòng CSA .........................................................20 4.5 Sự cân bằng để cực tiểu hoá ISI/ICI......................................................21 4.6 Dung năng của một kênh MCM ............................................................22 4.7 Khung trong ADSL ...............................................................................24 Chương 5. Biến đổi wavelet 5.1 Giới thiệu về wavelet .............................................................................25 5.1.1 Wavelet là gì?.............................................................................25 5.1.2 Tại sao dùng wavelet .................................................................25 5.2 Phép phân tích đa phân giải ...................................................................26 5.3 Những hàm wavelet ...............................................................................27 5.4 Biến đổi wavelet nhanh (FWT) .............................................................27 5.5 Wavelet trực giao...................................................................................29 iv Chương 6. ADSL và mô hình hoá dựa trên wavelet 6.1 Giới thiệu ...............................................................................................30 6.2 Biến điệu đa sóng mang.........................................................................31 6.3 Những kết quả chung.............................................................................35 6.4 Các kế hoặch biến điệu đặc biệt cho ADSL ..........................................37 6.5 Mô phỏng số ..........................................................................................40 Chương 7 Kết luận 7.1 Những ý kiến cuối cùng.........................................................................48 7.1.1 Tổng kết .....................................................................................48 7.1.2 Nghiên cứu mô phỏng...............................................................48 7.2 Kết luận..................................................................................................49 Tài liệu tham khảo 50 v Kỹ thuật wavelet trong ADSL Các thuật ngữ viết tắt Thuật ngữ Tiếng Anh ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line ANSI American National Standards Institute ATU-C ADSL Transmission Unit at the CO ATU-R ADSL Transmission Unit at the Remote side of the subscriber line BER Bit Error Rate CAP Carrierless Amplitude and Phase modulation CP Cyclic Prefix DFT Discrete Fourier Transform DMT Discrete Multi-Tone DSL Digital Subscriber Line DWMT Discrete Wavelet Multi-Tone FFT Fast Fourier Transform FWT Fast Wavelet Transform ICI Inter-Channel Interference IFFT Inverse Fast Fourier Transform IFWT Inverse Fast Wavelet Transform ISI Inter-Symbol Interference ITU International Telecommunication Union MCM Multi-Carrier Modulation 1 Kỹ thuật wavelet trong ADSL Chương 1 Giới thiệu 1.1 Nền tảng của công nghệ ADSL Đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL là một công nghệ truyền dẫn tốc độ cao dùng hệ thống cáp đồng hiện hữu. Trong phần truy cập của mạng, ADSL cung cấp một nền tảng mới cho việc cung cấp dịch vụ băng rộng cho những công sở nhỏ hay gia đình. Hơn nữa, ADSL có thể hỗ trợ nhiều ứng dụng cần băng thông cao khác, như tìm kiếm internet, viễn thông, mạng ảo tư nhân và truyền dữ liệu đa phương tiện (multimedia streaming). ADSL là một công nghệ cho phép ta tận dụng Internet qua đường điện thoại hiện hữu. Mạng điện thoại hiện hữu cung cấp cho mỗi gia đình môt cặp cáp xoắn đồng cỡ dây thường là 24 hay 26 AWG. Hiện nay những cáp này sử dụng chính là cho truyền tiếng nói. Mục đích sử dụng công nghệ ADSL là tận dụng băng thông rộng trên những đường hiện tại này để truyền dữ liệu. Có hai kĩ thuật biến điệu thông dụng sử dụng cho ADSL. Thứ nhất là biến điệu biên độ và pha không sóng mang (CAP), thứ hai là đa tần rời rạc (DMT). Có loại thứ ba gọi là đa tần wavelet rời rạc (DWMT), trong đó biến đổi wavelet được dùng để biến điệu đa kênh thay vì dùng biến đổi Fourier nhanh (FFT). 1.2 Mục đích của khoá luận Mục đích chính của khoá luận là đánh giá kĩ thuật wavelet, đặc biệt là biến điệu đa tần wavelet rời rạc trong ADSL so với biến điệu đa tần rời rạc. Khoá luận dựa trên khảo sát mô phỏng dùng Matlab để quan sát bằng mắt và so sánh ma trận kênh của vài hệ thống cơ bản khác nhau mà đã được đề nghị để áp dụng cho ADSL. Những hệ thống cơ bản này là Weyl-Heisenberg, Wilson, và những hệ thống Wavelet. Mô hình mô phỏng được phát triển ở đây có thể sử dụng trong tương lai cho những nghiên cứu tiếp theo. 2 Kỹ thuật wavelet trong ADSL 1.3 Tổ chức của khoá luận Những phần còn lại của khoá luận được tổ chức như sau: Chương 2: Cơ bản về ADSL, trong đó chúng ta sẽ giới thiệu nhóm xDSL, ADSL dựa trên kiến trúc những hệ thống băng rộng và lớp vật lý. Chương 3: Những lý thuyết căn bản, trong đó ta trình bày vài lý thuyết chính hay những nguyên lý của kiến thức mà chúng ta dùng và khảo sát trong khoá luận này. Chương 4: Kĩ thuật đa tần số, ở đây chúng ta sẽ trình bày DMT của ADSL và vài phần khác của ADSL một cách chi tiết. Chương 5: Biến đổi wavelet, ở đây chúng ta sẽ trình bày vài kĩ thuật wavelet chính mà cần thiết cho khoá luận, như kích cỡ và hàm wavelet, FWT, và vân vân … Chương 6: ADSL dựa trên wavelet và mô phỏng, ở đây chúng ta sẽ trình bày những lý thuyết, những kết quả số và kết quả mô phỏng một cách chi tiết. Chương 7: Kết luận. 3 Kỹ thuật wavelet trong ADSL Chương 2 Cơ bản về ADSL 2.1 Tập hợp xDSL ADSL là một trong những hệ thống đường dây thuê bao số (DSL) được xây dựng trên những đường điện thoại bằng đồng hiện hữu. Những công nghệ DSL khác nhau này đã được biết trên thế giới này dưới tập hợp xDSL. Chúng đã được chứng nghiệm dưới những dạng khác nhau dựa trên chuẩn và công nghệ của chúng. Tất cả hệ thống DSL đều cung cấp truyền dữ liệu với tốc độ bit cao trên cặp dây xoắn đồng. Tốc độ bít tùy thuộc vào kỹ thuật dùng và độ dài của dây. Tập hợp xDSL được trình bày như dưới đây: Hình 2.1 Tập hợp xDSLs HDSL (High Speed Digital Line), lọai đầu tiên của hệ thống DSL. Nó cung cấp song công DS1 trên hai cặp xoắn đôi với chiều dài tới 12000 feet với tốc độ 800 kb/s. SDSL (Single-line DSL), có cùng tốc độ truyền trên đường lên và đường xuống giống như HDSL. Tuy nhiên, nó hoạt động trên chỉ một cặp dây xoắn và cho phép truyền dịch vụ điện thoại tương tự trên cùng dây. 4 Kỹ thuật wavelet trong ADSL IDSL có nghĩa là ISDN (Integrated Services Digital Network) DSL. Nó cung cấp tốc độ bít 128 kb/s trên chỉ một cặp dây xoắn và bao gồm một khoảng cách vào khoảng 18000 feet. ADSL (Asymmetric DSL) truyền những dòng dữ liệu bất đối xứng, nghĩa là tốc độ của hướng xuống gấp khoảng 10 lần so với tốc độ hướng lên. RADSL (Rate Adaptive DSL), DSL tốc độ thích nghi, có thể coi như là một dạng thông minh của ADSL. Nó có thể tự động ước định tình trạng của cặp dây xoắn và tối đa hóa tốc độ dây cho đường dây đó. G.LITE tương tự như RADSL vì nó cũng là tốc độ thích nghi. Tuy nhiên nó không có bộ tách để hạn chế sự giao thoa giữa các thiết bị điện thoại trong nhà và modem G.Lite. Nó có thể cung cấp tốc độ hướng xuống 1,5 Mb/s và tốc độ hướng lên 512 kb/s trên chiều dài 18000 feet của vòng địa phương. VDSL (Very high rate DSL), hiện đang được tiêu chuẩn hóa. VDSL hy vọng cung cấp tốc độ hướng xuống là 52 Mb/s trên những đoạn dây đồng ngắn và tốc độ hướng lên 1,5 Mb/s tới 2,3 Mb/s trên cặp dây 1000 feet. 2.2 Kiến trúc của những hệ thống băng rộng dựa trên ADSL Hình 2.2 Cấu hình mạng băng rộng 5 Kỹ thuật wavelet trong ADSL Như được thấy trên Hình 2.2, những nhu cầu băng rộng trong các khu nhà ở có thể được phân thành bốn loại. Chúng bao gồm internet (thông qua ISP), mạng công ty (cho viễn thông), hãng cung cấp dữ liệu, và thông tin giữa người và người. Mạng địa điểm khách hàng (Customer Premises Network) Mạng địa điểm khách hàng gồm những tư gia và công sở nhỏ. Modem ADSL, tại phía mạng khách hàng được gọi là đơn vị đầu cuối ADSL (ATU-R), kết thúc lớp vật lý của tín hiệu DSL. Thông thường thì một mạng địa điểm khách hàng có thể chỉ gồm một PC nối với ATU-R. Mạng truy cập (Access Network) Mạng truy cập ADSL bao gồm những modem ADSL và hệ thống ghép kênh truy cập tại địa điểm trung tâm. Modem ADSL tại phía trung tâm được gọi là ATU- C, nó kết thúc lớp vật lý của tín hiệu DSL phía trung tâm của mạng truy cập. Hệ thống ghép kênh truy cập và ATU-C thường được xem như một đơn vị gọi là bộ ghép kênh truy cập DSL (DSLAM). Mạng cung cấp dịch vụ (Service Provider Network) Một mạng cung cấp dịch vụ thường bao gồm những cơ quan cung cấp dịch vụ internet (ISP), những mạng công ty, cơ quan cung cấp dữ liệu và trung tâm hoạt động đia phương (ROC). 2.3 Lớp vật lý Có nhiều lý do cho việc sử dụng công nghệ DSL để truyền băng rộng trên cặp dây xoắn đồng hiện hữu. Và lý do chính là công nghệ DSL tận dụng nguồn phổ ngoài dải kênh điện thoại 3.3 kHz. Hình 2.3 Phổ tần số của dải modem tương tự và ADSL [15] 6 Kỹ thuật wavelet trong ADSL Như Hình 2.3 cho thấy, dải phổ thoại (0-4kHz) được sử dụng cho modem tương tự để cung cấp kết nối điện thoại, bởi vì tín hiệu này cần phải hợp vào trong băng tần của mạng điện thoại công cộng (PSTN), nó chia thành những mạch với 4kHz. Mặt khác, những modem DSL có thể sử dụng một dải tần rộng 1 MHz. Tuy nhiên, chúng chỉ hoạt động trên mạch vòng nội hạt (khoảng cách 12000 tới 18000 feet), đặc biệt dành cho tư gia và công sở. Có hai kĩ thuật biến điệu thông dụng dùng cho ADSL. Thứ nhất là biến điệu biên độ và pha không sóng mang (CAP), thứ hai là đa tần rời rạc (DMT). CAP là một chuẩn tư nhân và DMT là một chuẩn ANSI (T1.413). CAP tương tự như QAM, trong đó hai sóng mang trực giao được biến điệu và sau đó được tổng hợp lại. Bản thân sóng mang bị chế ngự (suppressed) trước khi truyền đi. DMT khác với CAP. Nó dùng nhiều sóng mang băng hẹp, tất cả đều truyền song song. DMT dựa trên kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) để truyền đồng thời nhiều sóng con. Trong DMT, tất cả các sóng con đều trực giao bằng cách sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT). Chuẩn ANSI T1.413 ấn định cho DMT là 256 sóng con, mỗi sóng con rộng 4 kHz. Mỗi tần có thể cung cấp tới 60 kb/s. Cũng có một dạng thứ ba gọi là DWMT (Discrete Wavelet MultiTone), trong đó phép biến đổi wavelet được dùng để biến điệu đa kênh thay vì sử dụng FFT. Vài tác giả tin rằng nó sẽ cải thiện hệ thống thực hiện bằng cách kiềm chế tần phổ của kênh. 7 Kỹ thuật wavelet trong ADSL Chương 3 Những lý thuyết căn bản Trong chương này, chúng ta sẽ xem xét một vài lý thuyết cơ sở được sử dụng trong suốt quá trình thực hiện khoá luận này. Chương này tham khảo từ bài giảng của Giáo sư Đình Thông Nguyễn, trường Đại học Tasmania. 3.1 Toán học Biến đổi Fourier Cho , ta có 1Lf ∈ dxxfeFff nR ix )()()(ˆ .∫ −== ξξξ , )()()()(ˆ .1 xFgdgexgFxg nR ix −=== ∫− ξξξ . Hình 3.1 Tính đối ngẫu của xung chữ nhật và hàm sinc Nguyên lý bất định Heisenberg Nguyên lý bất định Heisenberg phát biểu rằng không thể xác định được chính xác cả vị trí lẫn vận tốc của một đối tượng tại cùng một thời điểm. Tuy nhiên, ảnh hưởng là rất nhỏ và do đó chỉ dễ nhận ra trên đối tượng có kích thước nguyên tử. 8 Kỹ thuật wavelet trong ADSL Ts t s(tLý thuyết lấy mẫu s[k] = s(kTs), với k∈ , T{ ,...2,1,0,1,2..., −− } s là chu kì lấy mẫu. Ssampled(t) = ∑ .∞ ∞− − )()( ss kTtkTs δ Biến đổi wavelet a) Biến điệu hình sin, hay wavelet Morlet 22 2/),( σωωψ xxji eex i −−= (còn gọi là biến điệu Gabor). Wavelet này thực chất là một hàm mũ phức của tần số πω 2/iif = , và biên độ được biến điệu bởi một hàm tỉ lệ với một hàm Gaussian chuẩn. b) Laplacian của Gaussian hay thường gọi là wavelet mũ Mexican, nó liên hệ với đạo hàm bậc hai của hàm Gaussian 22 2/ 2 2 4 22 1),( ix ii i e xx σσπσσψ −⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= . c) Daubechie’s D4 wavelet. d) Haar wavelet. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Hình 3.3 Hàm định cỡ và hàm wavelet của 4 moment triệt tiêu Daubechies 9 Kỹ thuật wavelet trong ADSL 3.2 Lý thuyết viễn thông Dạng xung Nyquist để tránh ISI Định lý Nyquist thứ nhất diễn tả như sau: ∫∞ ∞− == )()( 2 1 ndeXx Tjnn δωωπ ω , ở đây ⎩⎨ ⎧ ≠ == 00 01 )( nif nif nδ Hình 3.4 Định lý Nyquist Những tính chất của mạch vòng thuê bao (SL) Đường điện thoại hoặc kênh truyền gây những ảnh hưởng dưới đây trên tín hiệu: • Nhiễu xuyên kí tự (ISI), • Nhiễu xuyên kênh (ICI), • Nhiễu đơn xung, • Nhiễu Gaussian, • Nhiễu loạn băng hẹp, ví dụ như phát sóng tư nhân (ham radio). Biến điệu QAM Xung băng gốc phức P(t,x) = xg(t), Tt ≤≤0 , ở đây }x,...,{xjxxx 1-M0sc ∈+= (là những số phức bất kỳ) và g(t) là một dạng xung có giá trị thực. 10 Kỹ thuật wavelet trong ADSL Tín hiệu thông giải tương ứng: u(t) = xg(t)Cos( {x}tfc arg2 +π ) = xcg(t)Cos( tfcπ2 ) – xsg(t)Sin( tfcπ2 ), Tt ≤≤0 Hình 3.5 Ví dụ về chùm sao tín hiệu QAM 11 Kỹ thuật wavelet trong ADSL Chương 4 Kĩ thuật đa tần số 4.1 Giới thiệu sự truyền dẫn đa tần rời rạc (DMT) Một sơ đồ đơn giản của hệ thống đa tần rời rạc sử dụng sóng mang hình sin được trình bày trong hình dưới đây. Sơ đồ chia dải tần của kênh thành những kênh con hẹp có băng tần , vì thế chúng có những tính chất gần đồng đều. Lợi ích hiển nhiên là cực tiểu hoá ảnh hưởng của nhiễu loạn trong mỗi kênh con. Kĩ thuật DMT trong modem mượn khái niệm từ phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao (OFDM) đã phát triển cho vô tuyến di động trong những năm 60. Đặc biệt là, sự thực hiện dùng DFT đã được đề xuất đầu thập kỉ 70. f∆ Trong thiết kế modem, những kênh con tốt với ít suy giảm và nhiễu loạn, nghĩa là tại trung tâm kênh, có thể được phân phối với tốc độ bít cao hơn những kênh con xấu hơn, nghĩa là ở gần hai biên của kênh. Điều này thường được biết là kĩ thuật “water pouring” trong miền tần số. Cái tên MCM (hay DMT trong ADSL) và kĩ thuật của nó được Bingham đầu tiên đề cao vào năm 1990 [1]. Hình 4.1 Cấu trúc biến điệu đa sóng mang Cấu trúc MCM ở trên khi sử dụng cho truyền dữ liệu trong HDSL và ADSL, được chuẩn hoá bởi ITU-T Rec.G.992.2 năm 1993. 12 Kỹ thuật wavelet trong ADSL Băng tần dùng trong ADSL là 1.104 MHz trên N/2 = 256 kênh con với 4.3125 kHz mỗi kênh. Do đó tần số lấy mẫu fs=2.208 MHz và kích thước IFFT là N=512. Thông thường thì những kênh con từ 0 tới 5 được tách ra khỏi kênh dữ liệu để dùng cho điện thoại và dịch vụ khác, và kênh con Nyquist (tại N) không được dùng. Hình 4.2 Tận dụng băng tần kênh trong ADSL Hình 4.3 Chuẩn ITU-T G.992.2 cho cấu trúc ADSL ít bộ chia (Splitter) (1999) Bảng 4.1 Upstream Downstream No. subcarriers, NSC 32 128 No. IFFT=2* NSC 64 256 No. CP samples = NSC/8 4 16 frequency m ag ni tu de channel carrier Subchannel Subchannels are 4.3 kHz wide in ADSL 13 Kỹ thuật wavelet trong ADSL 4.2 Hiểu ý nghĩa của tín hiệu biểu tượng truyền đi Hình 4.4 Cấu trúc bộ phát ADSL Phương pháp mã hoá và biến điệu chuyển một khối bít đi vào (nghĩa là một biểu tượng) thành một trong M trạng thái trong chùm sao tín hiệu để biến điệu sóng mang của kênh con thứ n. Nghĩa là, cho mỗi kênh con tại tần số n , chúng ta có M trạng thái có thể {c(m,n)}, M=16 trong 16QAM và 8 trong 8QAM…., trong đó N là số sóng mang kênh con và phải là một lũy thừa của 2 trong phương pháp FFT/IFFT. Trong phần dưới đây chúng ta bỏ chỉ số m vì nó là một số ngẫu nhiên của trạng thái mã hóa. Giải thuật “water pouring or filling” phân phối nhiều bít cho những kênh con tốt ở giữa và ít bít hơn cho những kênh con xấu ở hai đầu. Do đó, chúng ta có thể dùng 16QAM cho những kênh con tại trung tâm nhưng chỉ 8QAM hoặc 4QAM (hay 4PSK) tại đầu cuối kênh. Nhưng chúng ta vẫn có một mảng N-điểm vào {c(n)} cho IFFT. Tuy nhiên trong giai đoạn huấn luyện ADSL chúng ta chỉ sử dụng QAM mức 4. f∆ 14 Kỹ thuật wavelet trong ADSL Để tập trung trên vấn đề truyền dẫn của mảng {c(n)}, gồm cả sự cân bằng, chúng ta thừa nhận rằng phương pháp QAM mức M được sử dụng, nghĩa là B = log2M bít cho mỗi trạng thái cm, và tất cả các kênh con dùng một phép biến điệu như nhau, nghĩa là không dùng phương pháp “water pouring” để ấn định