ระบบรหัสช่องสัญญาณเพื่อการสื่อสารแบบไร้สาย

 การสื่อสารแบบไร้สายมีอัตราความเร็วในการรับส่งข้อมูลที่สูงขึ้นมากอย่างก้าวกระโดด โดยเฉพาะการสื่อสารเคลื่อนที่ของโทรศัพท์มือถือระบบ 4G หรือชื่อทางเทคนิค คือ ระบบ LTE (Long Term Evulation) เพื่อรองรับการเข้าถึงอินเทอร์เน็ต และการรับส่งข้อมูล เสียง รูปและวีดีโอ ซึ่งจะถูกส่งผ่านอุปกรณ์ต่างๆ เช่น สมาร์ทโฟน IPAD Tablet โน้ตบุ๊ก

  อย่างไรก็ตาม ช่องสัญญาณสื่อสารเคลื่อนที่เป็นช่องสัญญาณที่มีคุณภาพต่ำกว่า เมื่อเทียบกับช่องสัญญาณที่ใช้สายโดยทั่วไป เช่น ใยแก้วนำแสง เพราะอากาศมีสัญญาณรบกวนและสัญญาณแทรกมากมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อผู้ใช้งานมีการเคลื่อนที่ขณะอยู่ในยานพาหนะ  แต่ผู้ใช้งานเครือข่ายไร้สายต้องการข้อมูลที่ถูกต้องเชื่อถือได้สูง เพื่อรองรับรูปแบบวิถีชีวิตผู้คนในยุคดิจิทัลที่มีการใช้โทรศัพท์มือถือแทนกระเป๋าสตางค์ในการจ่ายเงิน มีการทำธุรกรรมทางการเงิน ธนาคารบนอินเทอร์เน็ต การซื้อสินค้าผ่านอุปกรณ์ไร้สายต่างๆ ตัวอย่างช่องสัญญาณที่ท้าทายสำหรับการสื่อสารข้อมูลที่เชื่อถือได้คือ ช่องสัญญาณเคลื่อนที่ (mobile channel) ที่มีการจางหาย (fading channel) และเกิดปรากฏการณ์ดอปเปอร์ (Doppler effect) ซึ่งทำให้คุณภาพของช่องสัญญาณต่ำลงโดยเฉพาะเมื่อเครื่องรับมีการเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว ช่องสัญญาณเคลื่อนที่ มีสัญญาณรบกวนหลายแบบ มีความผิดพลาดทั้งแบบสุ่มและแบบเบริสต์ (random errors and burst errors) การเรียนรู้ลักษณะช่องสัญญาณทำได้ยากเนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงเร็วกว่าที่มีการป้อนข้อมูลของช่องสัญญาณกลับไปให้ฝั่งส่ง

1

                  ความผิดพลาดเมื่อเพิ่มอัตราการส่งข้อมูล

2

                     การใช้เสกลลิ่งเพื่อเพิ่มอัตราการส่งข้อมูล

   รศ.ดร.อุศนา ตัณฑุลเวศม์ อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ จึงได้ทำการศึกษาและพัฒนาระบบรหัสที่สามารถทำงานได้ในช่องสัญญาณคุณภาพต่ำ เพื่อเติมเต็มให้สามารถสื่อสารแบบเชื่อถือได้ทุกที่ โดยเฉพาะการแก้ไขปัญหาในกรณีช่องสัญญาณคุณภาพต่ำที่อาจมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งมีทั้งความผิดพลาดแบบสุ่มและแบบเบริสต์  งานวิจัยนี้ จึงเสนอวิธีการใหม่ ในแก้ปัญหาโดยการนำรหัสรีดโซโลมอน (Reed-Solomon,RS) มาใช้เป็นรหัสภายในในระบบรหัสคอนคาทิเนต(Concatenate code) แทนที่จะใช้เป็นรหัสภายนอก ส่วนรหัสภายนอก ใช้เป็นรหัสคอนโวลูชั่นแบบนอนไบนารี่ ด้วยวิธีการนี้ สามารถแก้ไขความผิดพลาดแบบเบริสต์ที่ยาวมากๆ(ระดับหลักพันบิต)ได้ นอกจากนี้ยังสามารถแก้ไขความผิดพลาดแบบสุ่มและความผิดพลาดแบบเบริสต์ที่ขนาดสั้นกว่า (ระดับหลักร้อยบิต)ได้ ซึ่งเป็นความสามารถในแก้ไขความผิดพลาดของระบบรหัสมาตรฐานที่ใช้รหัสรีดโซโลมอนเป็นรหัสภายนอกและรหัสคอนโวลูชั่นเป็นรหัสภายใน ทั้งนี้ในช่องสัญญาณไร้สายเคลื่อนที่ ความผิดพลาดแบบเบริสต์จะยาวขึ้นเมื่ออัตราความเร็วการส่งข้อมูลเพิ่มขึ้นในช่วงระยะเวลาการจางหายที่เท่ากัน

   ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าระบบการเข้ารหัสถอดรหัสเพื่อสามารถใช้ได้กับช่องสัญญาณทุกรูปแบบ ซึ่งช่องสัญญาณอาจแบ่งได้เป็นช่องสัญญาณที่มีคุณภาพดีและช่องสัญญาณที่มีคุณภาพไม่ดีนัก โดยช่องสัญญาณที่มีคุณภาพไม่ดีนั้นอาจเนื่องมาจากการมีสัญญาณรบกวนทั้งแบบสุ่มและแบบเบริตส์ และอาจมีค่ากำลังสัญญาณต่อกำลังสัญญาณรบกวน (SNR) ที่ค่อนข้างต่ำ  ผลคือ ระบบรหัสคอนคาทิเนตที่มีรหัสภายในเป็นรหัส RS ซึ่งเป็นรหัสนอนไบนารี สามารถแก้ไขความผิดพลาดแบบเบริตส์ขนาดเล็กได้ ทั้งนี้เนื่องจากเมื่อทำการทดลองเปรียบเทียบการใช้รหัส RS และ BCH เป็นรหัสภายใน พบว่าการใช้รหัสภายในแบบนอนไบนารีคือ รหัส Reed-Solomon (RS) มีประสิทธิภาพดีกว่ารหัสภายในแบบไบนารี คือรหัส BCH สำหรับช่องสัญญาณไร้สาย ทั้งในช่องสัญญาณที่มีการเฟดแบบ Rician และ Rayleigh  กล่าวคือ แม้ว่ารหัส RS จะถูกถอดรหัสอย่างหยาบ (Hard decision) โดยวิธีพีชคณิต ในขณะที่รหัส BCH ถูกถอดรหัสอย่างละเอียด (Soft decision) ด้วยขั้นตอนวิธีของวีเทอร์บิ (Soft Viterbi algorithm)ก็ตาม

  สาหรับรหัสภายนอกคือรหัสคอนโวลูชั่นที่ใช้สัญลักษณ์นอนไบนารีขนาดใหญ่เพื่อให้สามารถรองรับรหัสภายใน RS มาตรฐานคือ RS (255,223) ได้ โดยใช้วิธีการถอดรหัสแบบเวกเตอร์ซิม โบล ซึ่งงานวิจัยนี้ได้ใช้ “เทคนิคการสเกลลิ่งของตัวถอดรหัสภายนอก” เพื่อรองรับการเพิ่มขึ้นของอัตราการส่งข้อมูลอีกด้วย โดยเทคนิคนี้เป็นการขยายขนาดสัญลักษณ์ในอัตราส่วนที่เท่ากับการเพิ่มขึ้นของอัตราการส่งข้อมูล เพื่อคงประสิทธิภาพของตัวถอดรหัสภายนอกเมื่อมีการส่งด้วยอัตราการส่งข้อมูลที่สูงขึ้น เนื่องจากเมื่อขนาดของความผิดพลาดแบบเบริสต์เพิ่มขึ้นอันเนื่องจากอัตราการส่งข้อมูลที่เพิ่มขึ้น การขยายขนาดสัญลักษณ์ให้เพิ่มขึ้นในอัตราเดียวกันจะทำให้ระบบมีประสิทธิภาพเหมือนเดิมก่อนที่ทำการเพิ่มอัตราการส่งข้อมูล

 เนื่องจากการขยายขนาดสัญลักษณ์ให้ใหญ่ขึ้นมากซึ่งส่งผลให้เกิดการคำนวณที่มากขึ้นอันเกิดจากการจัดการหน่วยความจำมากขึ้น จึงใช้วิธีลดการคำนวณที่มากเกินความจำเป็น โดยใช้การกำหนดจำนวนซินโดรมสูงสุดให้เป็นไปตามค่าซินโดรมที่เหมาะสมที่สุด ซึ่งนอกจากจะเป็นการลดการคำนวณที่มากเกินความจาเป็นแล้ว ยังเป็นการลดเวลาที่ใช้ในการถอดรหัสด้วย โดยรหัสคอนอนโวลูชั่นที่ใช้ในการทดสอบนี้จะมีซินโดรมสูงสุดที่เหมาะสมที่สุดอยู่ที่ 11 ซินโดรม ซึ่งในกรณีที่ตัวถอดรหัส VSD ไม่สามารถที่จะแก้ไขความผิดพลาดได้ หากมีการกำหนดให้ใช้จำนวนซินโดรมสูงสุดเท่ากับ 16 เหมือนที่เคยใช้มาก่อนนี้ การคำนวณโดยส่วนใหญ่จะเป็นการคำนวณที่ไม่ทำให้ประสิทธิภาพในการแก้ไขความผิดพลาดเพิ่มขึ้น และเป็นการคำนวณที่มากเกินความจำเป็น

  การทดสอบระบบคอนคอทิเนตทั้งระบบ แสดงให้เห็นว่าการใช้รหัสภายนอกที่มีสัญลักษณ์ขนาดใหญ่เพื่อแก้ไขความผิดพลาดแบบเบริสต์ จะให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่าสัญลักษณ์ขนาดเล็ก เมื่อค่า SNR สูงเพียงพอ ซึ่งจะเป็นการลดความผิดพลาดแบบสุ่มให้น้อยลง เนื่องจากสัญลักษณ์ขนาดใหญ่มีโอกาสที่จะเกิดความผิดพลาดภายในสัญลักษณ์ได้ง่ายกว่า ซึ่งเมื่อตัวถอดรหัสภายในสามารถแก้ไขความผิดพลาดแบบสุ่มได้มาก จะคงเหลือเฉพาะความผิดพลาดแบบเบริสต์ให้ตัวถอดรหัสภายนอกแก้ไขเท่านั้น ซึ่งจะทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมดีขึ้นมาก และการใช้รหัส RS เป็นรหัสภายใน นอกจากจะสามารถแก้ไขความผิดพลาดแบบเบริสต์ขนาดเล็กได้บางส่วน รหัส RS ยังสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการแก้ไขความผิดพลาดโดยการใช้ตัวถอดรหัสร่วมกับสัญลักษณ์ที่ถูกลบได้ อย่างไรก็ตามการใช้ประโยชน์จากตัวถอดรหัสร่วมกับสัญลักษณ์ที่ถูกลบค่อนข้างมีความยุ่งยาก เนื่องจากจำเป็นที่จะต้องอาศัยการระบุตำแหน่งของสัญลักษณ์ที่ถูกลบให้มีความถูกต้องแม่นยำ และมีโอกาสที่จะเป็นการลดประสิทธิภาพในการถอดรหัสได้ด้วยเช่นกัน การใช้ตัวถอดรหัสร่วมกับสัญลักษณ์ที่ถูกลบจึงต้องใช้อย่างระมัดระวังและอาจไม่เหมาะสมสำหรับระบบที่ต้องการความน่าเชื่อถือที่สามารถใช้งานได้ในทุกสถานการณ์

   โดยสรุปงานวิจัยนี้ได้เสนอระบบรหัสที่เติมเต็มให้สามารถสื่อสารแบบเชื่อถือได้ทุกที่ โดยเฉพาะการแก้ไขปัญหาในกรณีช่องสัญญาณคุณภาพต่ำที่อาจมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว เช่น ช่องสัญญาณไร้สายสาหรับการสื่อสารในขณะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง ระบบการสื่อสารผ่านสายไฟฟ้า ซึ่งช่องสัญญาณในการสื่อสารลักษณะเหล่านี้ จะก่อให้เกิดทั้งความผิดพลาดแบบสุ่มและความผิดพลาดแบบเบริสต์ จึงเป็นสาเหตุให้เลือกใช้โครงสร้างรหัสคอนคาทิเนตมาใช้ในการทดสอบ

  นอกจากนี้ระบบรหัสนี้ยังสามารถใช้ได้กับช่องสัญญาณที่มีคุณภาพดี และช่องสัญญาณไร้สายที่มีการเปลี่ยนแปลงน้อยได้ด้วย โดยในช่องสัญญาณที่มีคุณภาพดี ปริมาณความผิดพลาดจะเกิดขึ้นน้อย ตัวถอดรหัสจะสามารถทำงานได้อย่างรวดเร็ว เนื่องจากความซับซ้อนในการถอดรหัสนั้นขึ้นอยู่กับปริมาณและตำแหน่งของความผิดพลาดที่เกิดขึ้น

                                  อุศนา

ที่มาข้อมูล : โครงการวิจัยทุนอุดหนุนวิจัย มก.

หัวหน้าโครงการ : รศ.ดร.อุศนา ตัณฑุลเวศม์

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

คณะวิศวกรรมศาสตร์

มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

 

เรียบเรียง : ฝ่ายเผยแพร่งานวิจัย

สถาบันวิจัยและพัฒนาแห่ง มก.

โทร. 02 561 1474

e-mail : rdiwan@ku.ac.th

รศ.ดร.อุศนา ตัณฑุลเวศม์