Mã Turbo và ứng dụng trong các hệ thống thông tin thế hệ tiếp theo

- DƯƠNG VĂN LỢI Mã turbo và ứng dụng trong các hệ thống thông tin thế hệ tiếp theo Chuyên ngành : Điện tử viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC.
- Nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng tăng cả về số lượng, chất lượng và các loại hình dịch vụ kèm theo điều này đòi hỏi phải tìm ra những công nghệ mới áp dụng cho các hệ thống thông tin, để đáp ứng nhu cầu này công nghệ mã hóa sử dụng mã turbo đã ra đời và được khuyến cáo dùng trong rất nhiều hệ thống thông tin.
- Để hiểu rõ nguyên lý hoạt động cũng như những ưu, nhược điểm, ứng dụng của công nghệ này em đã chọn đề tài : ”Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống thông tin thế hệ tiếp theo”.
- Chương 1: Tổng quan: Giới thiệu chung về hệ thống thông tin số, sự kết nối các bộ mã tích chập hệ thống đệ quy để tạo nên mã Turbo và đưa ra các thành phần và kỹ thuật chung của bộ mã hoá Turbo kết nối song song.
- Chương 2: Tìm hiểu về bộ giải mã, và thuật toán giải mã là MAP, Mã-log-MAP, Log-MAP và SOVA, htuaatj toán giả mã turbo lặp sử dụng MAP và SOVA • Chương 3: Trình bày những ứng dụng của mã Turbo:Ứng dụng trong truyền thông không dây và truyền thông đa phương tiện.
- đi vào một số cấu trúc mã được ứng dụng trong hệ thống thông tin thế hệ tiếp • Chương 4: Chương trình mô phỏng bộ mã Turbo Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, mặc dù đã cố gắng nhiều nhưng vẫn không tránh những sai sót, em mong được sự phê bình, chỉ bảo và giúp đỡ của thầy cô và bạn bè.
- 4 1.1.1 Cấu trúc hệ thống thông tin số.
- Bộ mã hóa tích chập hệ thống đệ quy RSC.
- Mã tích chập hệ thống và không hệ thống.
- Mã tích chập đệ quy và không đệ quy.
- Bộ mã tích chập hệ thống đệ quy.
- Mã hóa mã turbo PCCC (parallel concatenated convolutional code.
- Bộ mã hóa.
- 19 1.5.3.3 Bộ chèn kiểu khối.
- 23 1.5.3.4 Bộ chèn kiểu xoắn (Convolutional.
- 25 1.5.3.5 Bộ chèn kiểu ngẫu nhiên.
- 29 Chương 2 Giải mã mã turbo.
- 30 2.2 Mô hình hệ thống.
- 48 2.9 So sánh độ phức tạp của các thuật toán giải mã.
- 49 2.10 Giải mã lặp dựa trên thuật toán MAP.
- 50 2.11 Giải mã lặp dựa trên thuật toán SOVA.
- Các hạn chế khi ứng dụng TC vào hệ thống truyền thông đa phương tiện.
- 55 3.2.2.2.Cải tiến quá trình giải mã.
- Giải mã động.
- Giải mã ưu tiên.
- Cấu trúc giải mã Pipeline.
- 80 Chương 1: Trang 3 Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Mô hình hệ thống truyền thông số Hình 1.2b: Mã kết nối song song hình 1.3 Bộ mã hóa tích chập hệ thống Hình 1.4 Bộ mã tích chập không hệ thống Hình 1.5 bộ mã tích chập đệ quy Hình 1.6 Bộ mã hoá RSC với R = 1/2 K Hình 1.7 Cách thức kết thúc trellis ở bộ mã RSC Hình 1.8 Bộ mã hoá PCCC tổng quát Hình 1.9 Mã PCCC tốc độ 1/3 gồm 2 bộ mã hoá chập hệ thống đệ quy Hình 1.10 minh họa bộ chèn Hình 1.11 mô tả ánh xạ của bộ chèn Hình 1.12 minh họa khoảng cách phổ ứng với giá trị N khác nhau Hình 1.13 Đường giới hạn trên sác xuất lỗi bít với các kích thước khác nhau của bộ chèn Hình 1.14 bộ chèn khối Hình 1.15 Các mẫu vuông trọng số Hình 1.16 Bộ chèn xoán và giải chèn xoắn Hình 1.17 Bộ chèn giả ngẫu nhiên Hình 2.1 Mô hình hệ thống Hình 2.2 Bộ mã xoắn và minh họa của nó Hình 2.3 Branch metric của bộ mã trong ví dụ trên Hình 2.4 Đường survivor và path metric của chúng Hình 2.5 bộ mã RSC tốc độ 1/2 với kích thước bộ nhớ bằng Hình 2.6 Sơ đồ chuyển trạng thái của má RSC Hình 2.8 forward recurcision của thuật toán MAP Hình 2.9 backward recurcision của thuật toán MAP Hình 2.10: Bộ giải mã lặp MAP Hình 2.11 Bộ giải mã lặp SOVA Hình 3.1 Sơ đồ bộ giải mã lặp Hình 3.2 Sơ đồ bộ giải mã pipeline Hình 3.3 Sơ đồ bộ mã hóa dùng trong thông tin vũ trụ Hình 3.4 Mã turbo cho đường xuống trong CDMA Hình 3.5 Mã turbo cho 3GPP Hình 3.6 chuỗi mã xoắn cho 3GPP Hình 4.3: Chương trình mô phỏng chính Hình 4.4: Kết quả lần Hình 4.5: Kết quả lần Hình 4.6: Kết quả lần Hình 4.7: Kết quả lần Hình 4.8: Kết quả lần Hình 4.9: Kết quả lần Hình 4.10: Kết quả lần Chương 1: Trang 4 Chương 1: Tổng quan 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Cấu trúc hệ thống thông tin số Để hiểu vai trò của mã sửa sai, chúng ta xem xét một mô hình tổng quát của hệ thống thông tin số như hình 1.1 Hình 1.1 Mô hình hệ thống truyền thông số Bộ truyền dẫn có vai trò chuyển thông tin được sinh ra từ nguồn tin thành dạng có khả năng chống chịu với ảnh hưởng của nhiễu ở mức trung bình Nguồn tin sinh ra bản tin mang thông tin cần được truyền đi.
- Vì lý do hiệu quả, bộ mã hóa nguồn được thiết kế để làm giảm chuyển đổi nguồn tin thành dạng bit nhị phân với tối thiểu dư thừa.
- Nếu bộ mã hóa nguồn tạo ra rb bit mỗi giây thì rb gọi là tốc độ dữ liệu.
- Kênh truyền làm suy yếu và tạo ra lỗi đối với tín hiệu nhận được, bộ mã hóa kênh được đưa vào hệ thống nhằm thêm vào chuỗi thông tin một số bit thông tin dư thừa, sự dư thừa này sẽ được sử dụng để tối thiểu lỗi truyền.
- Bộ mã hóa kênh được thiết kế để mỗi k bit đầu vào sẽ sinh ra từ mã với chiều dài n bit, bộ mã tốt là bộ mã Nguồn tin Mã hóa nguồn Mã hóa kênh Điều chế Giải điều chế Giải mã kênh Giải mã nguồn Lưu dữ liệu Kênh truyền Chương 1: Trang 5 sinh ra các từ mã khác nhau nhiều.
- Điều này giúp các hệ thống thông tin ít bị tổn hao, ảnh hưởng bởi lỗi kênh.
- Mỗi mã được đặc trưng bởi R=k/n < 1 gọi là tỉ lệ mã (tốc độ mã), tốc độ mã ở đầu ra của bộ mã hóa kênh là rc =rb/R bps.
- Mục đích đầu tiên của mã sửa sai là tối đa hóa độ tin cậy của quá trình truyền tin với một mức công suất tín hiệu, băng thông hệ thống và độ phức tạp mạch hệ thống nhất định.
- Việc này làm cho tốc độ truyền của dữ liệu giảm xuống hoặc tăng băng thông của hệ thống.
- Tín hiệu ra của bộ mã hóa kênh thường không phù hợp cho việc truyền dẫn, bộ điều chế cho phép tín hiệu có thể truyền trên kênh truyền,mục đích chính của bộ điều chế là phối hợp tín hiệu với kênh truyền, cho phép truyền đồng thời một số tín hiệu trên cùng một kênh truyền vật lysvaf tăng tốc độ truyền tin.
- Bộ giải mã kênh đưa ra ước lượng về bản tin được truyền Chương 1: Trang 6 thực sự.
- Bộ giải mã này hoạt động dựa trên quy tắc mã hóa và đặc tính của kênh truyền.
- Mục đích của bộ giải mã nhằm tối thiểu ảnh hưởng của nhiễu kênh truyền.
- Trên cơ sở quy luật mã hóa của bộ mã hóa nguồn, bộ giải mã nguồn chuyển chuỗi ở đầu vào của nó theo ước lượng của nguồn và đưa tới người dùng.
- Bằng cách thiết kế hệ thống truyền nhận hợp lý, ta có thể loại bỏ hoặc làm giảm ảnh hưởng của các suy hao, biến dạng, và tối thiểu ảnh hưởng của nhiễu.
- Nếu bộ giải điều chế đưa ra quyết định cứng, đầu ra của nó là các bit nhị phân, và theo đó bộ giải mã kênh sẽ hoạt động theo quyết định giải mã cứng.
- Quyết định cứng trong bộ giải điều chế đôi khi sinh ra mất thông tin.
- Một sự thay đổi đó là lượng tử hóa đầu ra của bộ giải điều chế nhiều hơn hai mức hoặc đưa lấy mẫu của tín hiệu nhận được băng cơ sở và đưa nó tới bộ bộ giải mã kênh, quá trình giải mã kênh tiếp theo đó được gọi là giải mã quyết định mềm.
- Sự khác nhau cơ bản giữa chúng là bộ nhớ của bộ mã hóa.
- Với mã khối, bộ mã hóa hoạt động phụ thuộc vào bản tin đầu vào ở thời điểm hiện tại chứ không phụ thuộc vào trước đó, do đó bộ mã hóa không nhớ.
- Băng thông B của hệ thống giới hạn tốc độ thay đổi của tín hiệu được mô tả qua hiệu xuất phổ η = rb / B bit/sec/Hz hay Chương 1: Trang 7 η = Rlrs / B Trong đó rs là tốc độ ký tự.
- Bưng thông đòi hỏi tối thiểu cho tín hiệu đã được điều chế là rs Hz nên hiệu xuất phổ lớn nhất là: ηmax = lR Thông số khác được dùng để tính toán độ tin cậy của thông tin truyền đi trong hệ thống thông tin số là sác xuất lỗi bit (BER).
- Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) mô tả bằng S/N liên hệ với Eb /N0 : S/N =lR.Eb /N0 Với một kênh truyền cho trước, có một giới hạn trên của tốc độ truyền dữ liệu liên quan tới SNR và băng thông của hệ thống.
- C = B log2 ( 1+ S/N) bit/sec Lý thuyết về mã hóa kênh của Shannon đã chứng minh tồn tại mã có thể có sác xuất lỗi nhỏ tùy ý nếu dữ liệu được truyền đi với tốc độ rb < C và ngược lại, không thể thiết kế mã có sác xuất lỗi nhỏ tùy ý nếu rb > C , điều này cho thấy nhiễu tạo nên giới hạn trên tốc độ dữ liệu nhưng không giới hạn trên sác xuất lỗi, lý thuyết của Shannon đã không chỉ ra cách thiết kế bộ mã để đạt được tốc độ tối đa dữ liệu ở sác xuất lỗi nhỏ tùy ý, nó thúc đẩy việc nghiên cứu phát triển một số công nghệ mã sửa sai.
- Lý thuyết cũng chỉ ra là nếu Băng thông của hệ thống có thể mở rộng đến vô hạn, thì ta có thể truyền tin với tốc đọ tối đa bằng dung lượng kênh C với Eb /N0 nhỏ nhất là -1.59 dB khi hiệu suất phổ tiến đến 0.
- Mã tubo với thuật toán giải mã lặp hầu như tiếp cận được với giới hạn này, nó có thể đạt tỉ lệ lỗi bit 10-5 ở Eb /N0 = 0.7 dB với hiệu suất phổ 0.5 bits/sec/Hz.
- Sự kết nối mã và ra đời của mã turbo (TURBO CODE) Mã Turbo là sự kết nối gồm hai hay nhiều bộ mã riêng biệt để tạo ra một mã tốt hơn và cũng lớn hơn.
- Mô hình ghép nối mã đầu tiên được Forney nghiên cứu để tạo ra một loại mã có xác suất lỗi giảm theo hàm mũ tại tốc độ nhỏ hơn dung lượng kênh trong khi độ phức tạp giải mã chỉ tăng theo hàm đại số.
- Mô hình này bao gồm sự kết nối nối tiếp một bộ mã trong và một bộ mã ngoài.
- Gới thiệu về mã chập hệ thống đệ quy (Recursive Systematic Convelutional Code_RSC), là cơ sở của việc tao ra mã TC.
- Chi tiết cấu trúc bộ mã hóa PCCC Forney đã sử dụng một bộ mã khối ngắn hoặc một bộ mã tích chập với giải thuật giải mã Viterbi xác suất lớn nhất làm bộ mã trong và một bộ mã Reed-Salomon dài không nhị phân tốc độ cao với thuật toán giải mã sửa lỗi đại số làm bộ mã ngoài.
- Có hai kiểu kết nối cơ bản là kết nối nối tiếp (hình 1.2a) và kết nối song song ( hình 1.2b) Hình 1.2a Mã kết nối nối tiếp Hình 1.1b: Mã kết nối song song Bộ mã hoá 1 được gọi là bộ mã ngoài, còn bộ mã hoá 2 là bộ mã trong.
- Thực tế các mô hình này cần phải sử dụng thêm các bộ chèn giữa các bộ mã hoá nhằm cải tiến khả năng sửa sai.
- Bộ mã hoá 1r = k1/n1 Bộ mã hoá 2 r = k2/n2 Ngõ vào Ngõ ra Ngõ vàoNgõ raBộ ghép (Multiplexer) Bộ mã hoá 1 r = k/n1 Bộ mã hoá r = k/n2 Chương 1: Trang 9 Năm 1993, Claude Berrou, Alain Glavieux, Puja Thitimajshima đã cùng viết tác phẩm “Near Shannon limit error correcting coding and decoding: TURBO CODE” đánh dấu một bước tiến vượt bậc trong nghiên cứu mã sửa sai.
- Loại mã mà họ giới thiệu được gọi là mã Turbo, thực chất là sự kết nối song song các bộ mã tích chập đặc biệt cùng với các bộ chèn.
- Cấu hình này gọi là: “Kết nối song song các mã tích chập.
- Parallel Concatenated Convolutional Code- PCCC) Ngoài ra cũng có “Kết nối nối tiếp các mã tích chập”(Serial Concatenated Convolutional Code_SCCC) và dạng “Kết nối hổn hợp các bộ mã tích chập.
- Bộ mã hóa tích chập hệ thống đệ quy RSC Trong bộ mã TC sử dụng một bộ mã tích chập đặc biệt: mã tích chập hệ thống đệ quy ( Recursive Systematic Convolutional Code_RSC.
- Mã tích chập hệ thống và không hệ thống Mã tích chập có tính hệ thống là mã tích chập mà có một phần từ mã ở ngõ ra chính là dãy tin đầu vào, tức là đầu vào của dãy tin được đưa trực tiếp đến một trong những ngõ ra của bộ mã.
- Sơ đồ của bộ mã tích chập hệ thống như hình 1.3 hình 1.3 Bộ mã hóa tích chập hệ thống Đối với mã chập hệ thống thì ta có thể dễ dàng xác định từ mã ở ngõ ra hơn so với mã chập không hệ thống.
- Do cấu trúc như vậy nên yêu cầu của bộ mã hóa và giải mã ít phức tạp hơn so với mã không hệ thống DDD C1 C2 Đầu vào Chương 1: Trang 10 Mã chập không hệ thống có từ mã ngõ ra không phản ánh được dãy tin ở đầu vào, tức là đầu ra của bộ mã không nối trực tiếp đến dãy tin đầu vào.
- Sơ đồ của bộ mã chập không hệ thống như hình 1.4 Hình 1.4 Bộ mã tích chập không hệ thống 1.3.2.
- Mã tích chập đệ quy và không đệ quy Mã tích chập đệ quy có từ mã ở ngõ ra được đưa hồi tiếp trở lại dãy tin đầu vào.
- Sơ đồ như hình 1.5 Hình 1.5 bộ mã tích chập đệ quy Mã tích chập không đệ quy có từ mã ở ngõ ra của bộ mã không được đưa hồi tiếp trở lại đầu vào.
- Bộ mã tích chập hệ thống đệ quy DD DC1 C2 Đầu vào D D C D Đầu vào D D Chương 1: Trang 11 Để mô tả bộ mã hóa mã chập người ta đưa ra các thông số của bộ mã hóa như sau : (n, k, K) trong đó: k : số đầu vào n : số đầu ra K: số ngăn lớn nhất trên thanh ghi Trong đó k < n để ta có thể thêm độ dư vào luồng dữ liệu để thực hiện phát hiện sai và sửa sai.
- Một bộ mã tích chập thông thường được biểu diễn qua các chuỗi g1= [1 1 1] và g2.
- Bộ mã hoá RSC tương ứng bộ mã hoá tích chập thông thường đó được biểu diễn là G.
- Hình 1.6 trình bày bộ mã hoá RSC Hình 1.6 Bộ mã hoá RSC với R = 1/2 K=2 Một bộ mã hoá tích chập đệ quy có khuynh hướng cho ra các từ mã có trọng số tăng so với bộ mã hoá không đệ quy, nghĩa là bộ mã tích chập đệ quy cho ra ít từ mã có trọng số thấp và cũng dẫn đến việc thực hiện sửa sai tốt hơn.
- Đối với mã Turbo, mục đích của việc thực hiện các bộ mã hoá RSC là tận dụng bản chất đệ quy của các bộ mã hoá và tận dụng tính hệ thống của bộ mã.
- x c2c1+ D g2 g1 Chương 1: Trang 12 Đối với bộ mã tích chập thông thường, Trellis được kết thúc bằng (m= K -1) các bit zero thêm vào sau chuỗi ngõ vào.
- Các bit thêm vào này lái bộ mã tích chập thông thường đến trạng thái tất cả zero (là trạng thái kết thúc trellis).
- Nhưng cách này không thể áp dụng cho bộ mã hoá RSC do có quá trình hồi tiếp.
- Các bit thêm vào để kết thúc cho bộ mã hoá RSC phụ thuộc vào trạng thái của bộ mã hoá và rất khó dự đoán.
- Ngay cả khi tìm được các bit kết thúc cho một trong các bộ mã hoá thành phần thì các bộ mã hoá thành phần khác có thể không được lái đến trạng thái tất cả zero với cùng các bit kết thúc, do có sự hiện diện của bộ chèn giữa các bộ mã hoá thành phần.
- Hình 1.7 là kết thúc trellis : Hình 1.7 Cách thức kết thúc trellis ở bộ mã RSC Để mã hoá chuỗi ngõ vào, khoá chuyển bật đến vị trí A, để kết thúc trellis thì khoá chuyển bật đến vị trí B.
- 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”.
- Nếu tín hiệu đến của bộ giải điều chế và được bộ điều chế ra quyết định từng bít là bít 0 hay 1 thì gọi là quyết định cứng.
- Ví dụ một hệ thống sử dụng tín hiệu đường dây là bipolar NRZ với biên độ là ± 1V.
- như vậy ta thấy được sai sót của quyết định cứng là dù 0,8V hay 0,03V thì bộ giải mã cũng nhận được bít 1 dù giá trị 0,8V có xác suất đúng là bit 1 cao hơn nhiều so với 0,03V.
- Như vậy, bộ giải mã không có thông tin nào về độ chính xác của quyết định từ bộ giải điều chế.
- Việc này sẽ làm cho chất lượng của bộ giải mã không chỉ phụ thuộc vào bộ giải mã mà còn phụ thuộc vào bộ giải điều chế và do đó chất lượng không cao.
- Tuy nhiên quyết định cứng dễ dàng hơn cho việc giải mã.
- Nếu bộ giải điều chế không tự quyết định xem giá trị lấy mẫu nhận được là bit 0 hay bit 1 mà đưa thẳng cho bộ giải mã để bộ giải có đầy đủ thông tin về bit sau khi đã qua kênh truyền thì với cấu trúc phù hợp bộ giải mã sẽ cho các quyết định chính xác hơn, tức là chất lượng cao hơn.
- Bộ giải mã sẽ tính toán các giá trị để xét độ tin cậy của từng giá trị và cuối cùng mới quyết định.
- Điều này sẽ làm giảm khả năng có thể xẩy ra lỗi và độ lợi mã tổng cộng có thể tăng 2,5 dB so với giải mã cứng đối với môi trường có SRN thấp.
- Tuy nhiên, để đạt được độ lợi mã này thì bộ giải mã mềm sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với bộ giải mã cứng.
- Với khả năng tính toán của các chíp vi xử lý hay các chíp DSP cùng với khối lượng bộ nhớ ngày nay thì sự phức tạp của bộ giải mã mềm không còn lá vấn đề lớn.
- Vì thế xu hướng hiện nay trên thế giới là sử dụng bộ giải mã mềm, thậm chí có thể giải mã lại cho các loại mã khối và mã tích chập truyền thống bằng phương pháp giải mã mềm.
- Mã hóa mã turbo PCCC (parallel concatenated convolutional code 1.5.1.
- Bộ mã hóa Mã PCCC là sự kết nối song song của 2 hay nhiều mã RSC.
- Thông thường người ta sử dụng tối thiểu 2 bộ mã hoá tích chập.
- Sơ đồ khối mã PCCC tổng quát được trình như hình 1.7 Mỗi bộ mã hoá RSCi được gọi là các bộ mã thành phần (constituent code).
- Các bộ mã thành phần có thể khác nhau, tốc độ mã khác nhau nhưng có cùng cỡ khối bit ngõ vào là k, các chuỗi mã hoá ngõ ra bao gồm một chuỗi hệ thống (chuỗi bit vào).

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt