(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo

(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mã Turbo

Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 09 năm 2013 Ký tên Nghiêm Hoàng Hải HV: Nghiêm Hoàng Hải ii GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ 1- TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG MÃ DUAL TURBO TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN - Tìm hiểu lý thuyết mã Turbo: loại mã Turbo có…mã SCCC (Serial concatenated convolutional code), PCCC (Parallel concatenated convolutional) - Tìm hiểu mã Dual Turbo: cấu trúc hệ thống cách thức hoạt động cũa mã (có nhiều cấu trúc mã Dual Turbo, xử lý giải mã hay xử lý giải mã hóa) - Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM: đặc tính bật hệ thống để ứng dụng vào đề tài - So sánh đặc điểm mã Turbo so với mã Dual Turbo để tìm ƣu điểm khuyết điểm loại mã - Mô giải thuật phần mềm Matlab để xem xét độ tin cậy, tính khả thi hệ thống - Đánh giá kết mô phỏng, kết luận 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 27/02/2013 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 27/08/2013 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: CBHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Nội dung đề cƣơng Luận văn thạc sĩ đƣợc Hội Đồng Chuyên Ngành thơng qua CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MƠN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH HV: Nghiêm Hoàng Hải iii GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM LỜI CẢM ƠN Sau trình học tập nghiên cứu, tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ “Ứng dụng mã DUAL TURBO hệ thống MIMO - OFDM” dƣới hƣớng dẫn, giúp đỡ bảo tận tình PGS.TS Phạm Hồng Liên Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Hồng Liên hƣớng dẫn, bảo tơi hồn thành luận văn Các thầy cô khoa Điện tử tồn thể thầy trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM hết lòng dạy dỗ truyền đạt cho kiến thức quý báu thời gian qua Sự tiến học tập nghiên cứu tơi có giúp đỡ động viên lớn TS.Phan Văn Ca ngày đầu thực luận văn, xin ghi nhớ tình cảm q báu Luận văn hoàn thành đạt đƣợc số kết định, nhiên khơng tránh khỏi sai sót Kính mong đóng góp ý kiến thầy bạn Xin chân thành cảm ơn! TP.HCM, ngày 01 tháng 09 năm 2013 Nghiêm Hoàng Hải HV: Nghiêm Hoàng Hải iv GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC I LỜI CAM ĐOAN II NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN III LỜI CẢM ƠN IV MỤC LỤC V DANH SÁCH HÌNH VẼ VIII DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .IX MỞ ĐẦU XI CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DUAL TURBO TRONG MIMOOFDM 1.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG DUAL TURBO TRONG MIMO - OFDM 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.3 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 1.4 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 1.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.MÃ TÍCH CHẬP VÀ CÁC LOẠI MÃ TURBO 2.1.1 GIỚI THIỆU 2.1.2.2 PHÂN BỐ TRỌNG SỐ MÃ TÍCH CHẬP 14 2.1.3 GIỚI THIỆU VỀ CÁC LOẠI MÃ TURBO: 12 2.1.3.1 GIỚI THIỆU: 12 2.1.3.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG TURBO 17 2.1.3.2.1 MÃ TURBO THEO KIỂU NỐI TIẾP 17 2.1.3.2.1 MÃ TURBO THEO KIỂU SONG SONG 18 2.2 HỆ THỐNG MIMO-OFDM (MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT OFDM) 25 2.2.1.GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO 26 2.2.1.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT OFDM 33 2.2.1.2 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG OFDM 33 HV: Nghiêm Hoàng Hải v GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM 2.2.1.3 BIỂU DIỄN TÍN HIỆU OFDM 29 2.2.2 KỸ THUẬT MIMO-OFDM 42 2.2.2.1 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG MIMO-OFDM 42 2.2.2.2 BIỂU DIỄN TÍN HIỆU MIMO-OFDM 36 2.2.3 MÃ HÓA KÊNH TRUYỀN 42 2.2.4 ƢỚC LƢỢNG KÊNH TRUYỀN 42 2.3 MÃ DUAL TURBO 43 2.3.1 GIỚI THIỆU 43 2.3.2 MÃ HÓA TWIN TURBO 43 2.3.2.1BỘ GIẢI MÃ TWIN TURBO 43 2.3.2.2 TWIN TURBO MIMO-OFDM (T2 MIMO-OFDM) 46 2.3.2.2.1 MƠ HÌNH HỆ THỐNG 46 2.3.2.2 KẾT HỢP T2 VỚI MIMO-OFDM 48 2.3.2.3 ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT VÀ PHÂN TÍCH ĐỘ PHỨC TẠP CỦA HỆ THỐNG TWIN TURBO MIMO-OFDM 51 2.3.2.4 PHÂN TÍCH ĐỘ PHỨC TẠP 51 2.3.3 DUAL-REPEAT-PUNCTURED TURBO CODES 56 2.3.3.1.MÃ HÓA 56 2.3.3.2 GIẢI MÃ 58 2.3.3.3 THỰC HIỆN PHÂN TÍCH 61 2.3.4 MÁY THU DUAL-TURBO 63 2.3.4.1.MƠ HÌNH HỆ THỐNG 63 2.3.4.2.ĐỒ THỊ HỆ SỐ VÀ THUẬT TOÁN TRONG VIỆC THÔNG ĐIỆP LẶP LẠI 64 2.3.4.3.CẤU TRÚC MÁY THU DUAL-TURBO 68 2.3.4.3.1.GIẢ THIẾT CƠ BẢN 68 2.3.4.3.2.MÁY THU LẶP LẠI THEO TUẦN TỰ (nối tiếp) 71 2.3.4.3.3.CẤU TRÚC MÁY THU DUAL TURBO 72 2.3.4.3.4.THỰC HIỆN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 75 2.3.5 KẾT LUẬN 75 HV: Nghiêm Hoàng Hải vi GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DUAL TURBO_ MIMO _OFDM 3.1 Mơ mã hóa: so sánh mã tích chập với mã Turbo mã Dual-Turbo 77 3.2 Mô hệ thống OFDM, MIMO, MIMO-OFDM 81 3.3 Mô việc ứng dụng mã Turbo cho hệ thống MIMO-OFDM ứng dụng mã Dual-Turbo cho hệ thống MIMO-OFDM 83 KẾT LUẬN 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 HV: Nghiêm Hoàng Hải vii GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ tổng qt mã tích chập Hình 1.2: Hai giản đồ tƣơng đƣơng cho mã chập (3,1,3) Hình 1.3: Bộ mã chập (3,2,2) Hình 1.4: Sơ đồ mã tích chập với 𝑁 = 3, 𝑘 = 1, 𝑛 = đa thức sinh (1.6) Hình 1.5: Sơ đồ hình với 𝑁 = 3, 𝑘 = 1, 𝑛 = (ví dụ 3) Hình 1.6: Sơ đồ hình lƣới mã chập ví dụ Trạng thái ban đầu tồn “0” Hình 1.7: Sơ đồ trạng thái mã tích chập ví dụ Hình 1.8: Sơ đồ trạng thái mở rộng hình 1.7 Hình 1.9 Mã hóa turbo theo cách nối tiếp Hình 1.10 Bộ giải mã turbo nối tiếp Hình 1.11 Bộ mã hóa turbo song song Hình 1.12 Bộ mã hóa turbo song song đƣợc đề nghị Hình 1.13: Tầng giải mã PCCC (độ lợi đƣợc thêm vào đƣợc thay khối có nhãn ―G‖) Hình 1.14: Tầng thứ hai giải mã turbo song song Hình 1.15 Tầng thứ mã hóa song song đƣợc đề nghị Hình 1.16 (a) Tỉ lệ lỗi bit BER tỉ số tín hiệu nhiễu Eb/No (dB) hệ thống mã hóa với số lần lặp [25] Hình 1.16 (b) Tỉ lệ lỗi bit BER tỉ số tín hiệu nhiễu Eb/No (dB) hệ thống mã hóa với số lần lặp [25] Hình 1.16 (c) Tỉ lệ lỗi bit BER tỉ số tín hiệu nhiễu Eb/No (dB) hệ thống mã hóa với số lần lặp [25] Hình 2.1 Tỉ lệ lỗi bit BER tỉ số tín hiệu nhiễu Eb/No (dB) hệ thống đa anten phát đa anten thu Hình 2.2: Hệ thống MIMO HV: Nghiêm Hồng Hải viii GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM Hình 1.3: So sánh độ lợi băng thơng kỹ thuật đa sóng mang FDM kỹ thuật OFDM Hình 2.4: Sơ đồ khối thu phát OFDM băng gốc Hình 2.5: Phổ kênh OFDM (a) tín hiệu OFDM 05 sóng mang (b) Hình 2.6: a) Khái niệm tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix); b) Ký tự OFDM với CP Hình 2.7: Sơ đồ phát tín hiệu MIMO-OFDM Hình 2.8 Cấu trúc khung liệu MIMO-OFDM Hình 2.9: Sơ đồ thu tín hiệu MIMO-OFDM Hình 2.10: Mơ hình chi tiết hệ thống thu phát 𝑁𝑇 𝑥 𝑁𝑅 MIMO-OFDM Hình 3.1: Chịm 4-ASK tín hiệu nhận Hình 3.2: Sơ đồ khối giải mã Twin Turbo Hình 3.3: Sơ đồ khối MIMO-OFDM đƣợc giả thiết Hình 3.4: Chịm tín hiệu đƣợc truyền QPSK tín hiệu đƣợc ghép chúng Hình 3.5: Các bƣớc xử lý Turbo thông thƣờng (NT) Twin Turbo (T2) Hình 3.6 (a): Cấu trúc mã hóa DRPTC Hình 3.6(b): Quá trình đánh thủng máy phát, với hệ số T = m = Hình 3.7 Cấu trúc giải mã DRPTC Hình 3.8 Quá trình đánh thủng trƣớc giải mã với hệ số lặp lại 𝑇 = 𝑚 = Hình 3.9: Cách đặt tên theo quy ƣớc đƣợc sử dụng hai trộn đƣợc sử dụng Hình 3.10: Đồ thị hệ số hệ thống MIMO-OFDM mã hóa Turbo Hình 3.11: Hai cấu trúc máy thu hệ thống Dual-Turbo Hình 3.12: Q trình truyền thơng điệp mềm cho máy thu DTRA với 𝑁𝐶 = Hình 4.1: Mơ hình hệ thống Dual Turbo HV: Nghiêm Hoàng Hải ix GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM Hình 4.2: BER điều chế BPSK kênh AWGN với mã hóa tích chập giải mã Viterbi định cứng Hình 4.3: BER BPSK sử dụng mã hóa Turbo giải mã với thuật toán Log-Map kênh AWGN với số lần lặp Hình 4.4: BER BPSK sử dụng mã hóa Dual Turbo giải mã với thuật toán LogMap kênh AWGN với số lần lặp Hình 4.5: đồ thị BER BPSK sử dụng OFDM Hình 4.6: BER anten phát, anten nhận, Alamouti STBC Hình 4.7: BER anten phát, anten nhận, STBC MIMO-OFDM Hình 4.8: BER hệ thống theo tỷ số tín hiệu nhiễu SNR sử dụng mã Turbo với kỹ thuật MIMO-OFDM Hình 4.9: BER hệ thống theo tỷ số tín hiệu nhiễu SNR sử dụng mã Dual Turbo với kỹ thuật MIMO-OFDM HV: Nghiêm Hoàng Hải x GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT APP AWGN BER bps BPSK BSC FER ISI LLRs MAP A posteriori probability Additive white Gaussian noise Bit error rate bits per second Binary phase shift keying Binary symmetric channel Frame error rate Inter-symbol interference Log-likelihood ratios Maximum a posteriori MLSE Maximum likelihood squence estimation probability density function Recursive systematic convolution Soft input, soft output Soft output Viterbi algorithm Symbol error rate Signal-to-noise ratio Quaternary phase shift keying M-ary phase shift keying Quadrature amplitude modulation Trellis coded modulation Viterbi algorithm Orthogonal frequency-devision multiplexing Multiple input multiple ouput pdf RSC SISO SOVA SER SNR QPSK MPSK QAM TCM VA OFDM MIMO DFT IFFT LDPC MMSE PCCC SCCC DTRA DP-RAMS Discrete fourrier transform Inverse fast fourrier transform Low density parity check Minimum mean-square-error Parallel concatenated convolutional codes Serially concatenated convolutional codes Dual Turbo Receiver Architecture Dual Port-RAMS HV: Nghiêm Hoàng Hải xi Xác suất hậu nghiệm Nhiễu cộng trắng chuẩn Tỷ số lỗi bít Bít giây Khóa dịch pha nhị phân Kênh đối xứng nhị phân Tỷ số lỗi khung Xuyên nhiễu ký hiệu Tỷ số log-hợp lệ Thuật toán cực đại hậu nghiệm Chuỗi hợp lệ tối đa Hàm mật độ xác suất Mã chập hệ thống hồi quy Lối vào mềm-Lối mềm Thuật toán Viterbi lối mềm Tỷ lệ lỗi ký hiệu Tỷ số tín hiệu nhiễu Khóa dịch pha bốn mức Khóa dich pha đa mức Điều chế QAM Điều chế mã lƣới Thuật toán Viterbi Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Công nghệ nhiều anten phát nhiều anten thu Biến đổi Fourrier rời rạc Biến đổi Fourrier nhanh Kiểm tra chẳn lẽ mật độ thấp Lỗi tối thiểu Mã chập mắc song song Mã chập mắc nối tiếp Cấu trúc máy thu Dual Turbo RAM với ngõ song song GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM  Đặc điểm thứ hai, khác biệt cách trao đổi thông điệp mềm mô-đun khác Trong máy thu tuần tự, trao đổi thông tin phát lỗi giải mã mềm đạt đƣợc khối sở Điều có ý nghĩa, việc truyền thông điệp mềm đƣợc tạo phát lối nút MIMO nên buộc phải đợi tất thông điệp mềm cho từ mã sẵn sàng Sự hạn chế này, đƣợc lấy DTRA, nơi thông điệp mềm cho lớp lặp đƣợc cập nhật cách 2.3.4.3.4 THỰC HIỆN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN a TÍNH TỐN VÀ ĐỘ PHỨC TẠP TRONG VIỆC LƢU TRỮ Tổng số mức độ phức tạp việc tính toán máy thu lặp lại chủ yếu đƣợc xác định việc thực ba đơn vị tính toán 𝐹𝑓𝑏 , 𝐹𝑠𝑑𝑒𝑐 𝐹𝑠𝑑𝑒𝑡 , tổng số lặp bên 𝑁𝐷 lặp giải mã bên trong lặp bên 𝑁𝐶 Khi giá trị 𝑁𝐷 𝑁𝐶 đƣợc cố định, ta kết luận hai máy thu DTRA có tải trọng tính tốn Khi thông điệp mềm cho hai lớp lặp đƣợc cập nhật cách dẫn đến hội tụ diễn nhanh hơn, DTRA dự kiến đáp ứng yêu cầu với tính phức tạp tính toán thấp để đạt đƣợc hiệu suất tỷ lệ lỗi nhƣ mong muốn Hiệu suất tỷ lệ lỗi đƣợc xác nhận mô Việc tăng dung lƣợng nhớ giúp DTRA đáp ứng yêu cầu đọc/ghi DP-RAMS phép việc cập nhật thơng điệp mềm cách tức thời, có cổng RAMS cần thiết máy thu Việc tính tốn nhớ cho phần cứng phép hai cấu trúc phụ thuộc vào việc thực ASIC đơn vị tính tốn điều vƣợt ngồi phạm vi đề cƣơng Để biết thêm chi tiết vấn đề nhƣ vậy, xem xét mục [14,15] Công việc lƣu trữ cho 𝛼(𝑠𝑚 ) 𝛽(𝑠𝑚 ) tốn nhiều nhớ RAMS mã khối dài Turbo đƣợc sử dụng Để tiết kiệm nhớ, thuật toán cửa sổ trƣợt chuyển tiếp/hồi tiếp đƣợc sử dụng b XỬ LÝ ĐỘ TRỄ Đối với máy thu tuần tự, việc xử lý độ trễ tổng thời gian cần thiết cho phát lỗi giải mã, đƣợc cho công thức: 𝑇𝑠𝑒𝑞 = 𝑁𝐷 𝑇𝐷 + 𝑁𝐷 𝑁𝐶 𝑇𝐶 Tuy nhiên, phát lỗi giải mã làm việc đồng thời DTRA, trùng lặp thời gian xử lý Trong trƣờng hợp này, trình xử lý độ trễ đƣợc giảm xuống đƣợc đƣa công thức sau: 𝑇𝑑𝑡 = 𝑁𝐷 𝑇𝐷 + 𝑁𝐶 𝑇𝐶 Nếu tiếp tục giả định 𝑇𝐷 = 𝑁𝐷 𝑇𝐶 độ trễ xử lý DTRA gần nửa so với độ trễ xử lý cấu trúc máy thu với 𝑁𝐷 lớn 2.3.5 KẾT LUẬN Với ba cấu trúc Dual Turbo nhƣ phân tích có điểm bật riêng nhƣng mục đích việc thay đổi cấu trúc mã Turbo thơng thƣờng nhằm mục đích nâng cao hiệu suất, giảm nhiễu, giảm tỉ lệ bit lỗi, tăng tốc độ truyền, tăng tốc độ xử lý (giảm độ trễ) Chúng ta dựa vào cấu trúc, điểm bật, độ HV: Nghiêm Hoàng Hải 75 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM phức tạp cách xử lý mơ hình mà ta chọn lựa hệ thống phù hợp với yêu cầu để ứng dụng vào thực tế Và tơi chọn cho hệ thống để mô Tôi chọn hệ thống DTRA (Dual-Turbo Receiver Architecture) để thực mô cho luận văn HV: Nghiêm Hồng Hải 76 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DUAL TURBO_ MIMO _OFDM Trong phần mơ này, tơi xin trình bày theo phần: - Phần 1: trình bày mơ mã hóa: so sánh mã tích chập với mã Turbo mã Dual-Turbo - Phần 2: trình bày mơ hệ thống MIMO-OFDM - Phần 3: trình bày mơ việc ứng dụng mã Turbo cho hệ thống OFDM, MIMO, MIMO-OFDM ứng dụng mã Dual-Turbo cho hệ thống MIMO-OFDM 3.1.Mơ mã hóa: so sánh mã tích chập với mã Turbo mã DualTurbo Tín hiệu ngõ vào Mã hóa Dual Turbo Điều chế số Giải điều chế số Kênh truyền Giải mã Dual Turbo Tín hiệu ngõ Hình 4.1: Mơ hình hệ thống Dual Turbo Hình 4.2: BER điều chế BPSK kênh AWGN với mã hóa tích chập giải mã Viterbi định cứng HV: Nghiêm Hoàng Hải 77 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM  Sử dụng mã hóa tích chập giải mã Viterbi, qua kênh AWGN mã hóa BPSK Hình 4.3: BER BPSK sử dụng mã hóa Turbo giải mã với thuật toán LogMap kênh AWGN với số lần lặp  Bộ mã hóa Turbo có kích thƣớc khung 400, đa thức sinh mã hóa Turbo là: g = [ 1 ; 1] truyền kênh AWGN  Bộ giải mã Turbo sử dụng thuật tốn giải mã Log-MAP Hình biểu diễn khả sửa lỗi sau lần lặp giải mã Nhận xét:  So sánh mã Turbo với mã tích chập (hình 4.2 hình 4.3) ta thấy mã Turbo có chất lƣợng cao mã tích chập thơng thƣờng khả sửa lỗi Trong mã tích chập cần 3dB để đạt tỉ lệ lỗi bit khoảng 10−2 Thì mã Turbo cần 3dB nhƣng đạt tỉ số lỗi bit 10−3 Do ta sử dụng thuật toán giải mã Log-Map với việc lặp lại máy thu nên cho chất lƣợng BER tốt so với mã tích chập sử dụng giải mã Viterbi định cứng  Khi số lần lặp tăng tỉ lệ lỗi bit giảm Việc thực mã Turbo đƣợc cải tiến nhiều, điều sau thông tin đƣợc chia giải mã có nhiều thơng tin ngõ vào đƣa định xác Khi số lần lặp tăng lớn việc thực mã Turbo đƣợc cải tiến Tuy nhiên, mức độ cải tiến không đƣợc cao, điều sau lần lặp, giải mã lấy đƣợc hết thông tin mã ngõ vào đó: khơng cho ngõ HV: Nghiêm Hoàng Hải 78 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM giá trị biến đổi nhƣ lần lặp thứ Vì vậy, nói việc thực mã Turbo dạt đến mức ngƣỡng sau vài lần lặp Hình 4.4: BER BPSK sử dụng mã hóa Dual Turbo giải mã với thuật tốn Log-Map kênh AWGN với số lần lặp  Bộ mã hóa Turbo có kích thƣớc khung 400, đa thức sinh mã hóa Turbo là: g = [ 1 ; 1] truyền kênh AWGN  Bộ giải mã Dual Turbo sử dụng thuật toán giải mã Log-MAP Nhận xét: Khi đa thức sinh, kích thƣớc khung truyền khơng sử dụng puncture Khi kích thƣớc khung 400 ta thấy sử dụng thuật toán giải mã SOVA hay Log-MAP khả sửa lỗi thuật toán gần tƣơng đƣơng Tuy nhiên ta nhìn vào hình vẽ 4.3 mã Turbo hình vẽ 4.4 mã Dual Turbo ta thấy chất lƣợng mã Dual Turbo tốt cấu trúc giải mã khác Trong mã Turbo sử dụng giải mã mắc nối tiếp với Thì mã Dual Turbo giải mã mắc song song với đƣợc kết nối với thông qua DP Rams nên tốc độ xử lý cao đồng thời cịn có thêm phát lỗi đơn vị định mềm  So sánh mã Dual Turbo so với mã Turbo thơng thƣờng ta thấy chất lƣợng mã Dual Turbo tăng lên đáng kể: chất lƣợng BER tăng lên (chỉ số BER nhỏ) tỉ số SNR(dB) giảm theo Trong mã Turbo cần 𝑑𝐵 cho lần lặp để đạt đƣợc tỉ số BER 10−3 Thì mã Dual Turbo cần 𝑑𝐵 cho lần lặp mà đạt tỉ số BER gần 10−6 tốc độ giải mã tăng gấp đôi so với HV: Nghiêm Hoàng Hải 79 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM mã Turbo thông thƣờng Theo lý thuyết tăng tốc chất lƣợng BER giảm nhƣng với cấu trúc mã RSC (mã tích chập hệ thống đệ quy) kết nối với thơng qua Dual Ram không giúp tăng tốc độ giải mã so với mã Turbo thơng thƣờng mà cịn giúp giữ đƣợc số BER giảm đáng kể (xem hình cấu trúc máy thu Dual Turbo) Việc sử dụng thuật toán giải mả LogMap thay SOVA thuật tốn Log-Map giúp giảm mức độ phức tạp việc tình tốn nhƣng chất lƣợng giải mã tốt đƣợc chứng minh luận văn khác 3.2 Mô hệ thống OFDM, MIMO, MIMO-OFDM Tín hiệu ngõ vào Mã hóa kênh Điều chế số Điều chế OFDM Mã hóa MIMO Điều chế OFDM Kênh truyền Tín hiệu ngõ Giải mã kênh Giải điều chế số Giải điều chế OFDM Giải mã MIMO Xử lý tín hiệu thông tin nhận đƣợc Giải điều chế OFDM Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Chiều dài chuỗi bit: 106 Kích thƣớc FFT: 64 Số sóng mang con: 52 Truyền kênh nhiễu cộng trắng chuẩn AWGN Điều chế BPSK HV: Nghiêm Hoàng Hải 80 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM Hình 4.5: đồ thị BER BPSK sử dụng OFDM Hình 4.6: BER anten phát, anten nhận, Alamouti STBC HV: Nghiêm Hoàng Hải 81 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM Hình 4.7: BER anten phát, anten nhận, STBC MIMO-OFDM Nhận xét: Qua hình vẽ trên, thấy hệ thống với nhiều anten phát nhiều anten thu có chất lƣợng cao so với hệ thống có nhiều anten phát nhƣng chì có anten thu Ví dụ nhƣ mức tỷ lệ lỗi symbol SER = 10-2 hệ thống 2x1 cần mức cơng suất phát khoảng 16 dB hệ thống 2x2 cần mức cơng suất phát dB ta lợi đƣợc gần dB Do với số anten thu lớn chất lƣợng hệ thống đƣợc cải thiện tận dụng đƣợc phân tập thu hệ thống MIMO Và hệ thống MIMO đƣợc kết hợp với hệ thống OFDM cho chất lƣợng tốt đƣợc ghép nhiều sóng mang con, giúp giảm băng thông, tránh tƣợng fading, khả kháng nhiễu tốt, truyền liệu tốc độ cao HV: Nghiêm Hoàng Hải 82 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM 3.3 Mô việc ứng dụng mã Turbo cho hệ thống MIMO-OFDM ứng dụng mã Dual-Turbo cho hệ thống MIMO-OFDM Tín hiệu ngõ vào Mã hóa Dual Turbo Điều chế số Điều chế OFDM Mã hóa MIMO Điều chế OFDM Kênh truyền Tín hiệu ngõ Giải mã Dual Turbo Giải điều chế số Giải điều chế OFDM Giải mã MIMO Xử lý tín hiệu thơng tin nhận đƣợc Giải điều chế OFDM Mơ hình hệ thống mã hóa Dual Turbo MIMO-OFDM Hình 4.8: BER hệ thống theo tỷ số tín hiệu nhiễu SNR sử dụng mã Turbo với kỹ thuật MIMO-OFDM HV: Nghiêm Hoàng Hải 83 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM Hình 4.9: BER hệ thống theo tỷ số tín hiệu nhiễu SNR sử dụng mã Dual Turbo với kỹ thuật MIMO-OFDM Nhận xét: Hệ thống Dual Turbo MIMO-OFDM có chất lƣợng hệ thống tốt hẳn so với kỹ thuật truyền thông thông thƣờng đạt đƣợc độ lợi phân tập không gian thời gian thông qua việc sử dụng hệ thống MIMO mà đạt đƣợc độ lợi mã sử dụng symbol đƣợc mã hóa kỹ thuật Dual Turbo Vì vậy, hệ thống hứa hẹn kỹ thuật chủ đạo cho thông tin vô tuyến tƣơng lai Hơn nữa, hệ thống cịn mở rộng cho mơ hình đa ngƣời dùng mơ hình truyền thơng đa chặng giúp mở rộng phạm vi phủ sóng hệ thống Đây hƣớng mở rộng đề tài HV: Nghiêm Hoàng Hải 84 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM KẾT LUẬN Thông qua chƣơng tìm hiểu kỹ lý thuyết hệ thống: mã hóa giải mã Dual Turbo hệ thống thu phát MIMO-OFDM Việc kết hợp hệ thống mã hóa sữa lỗi Dual Turbo với hệ thống thu phát MIMO-OFDM giúp cải thiện đáng kể chất lƣợng tín hiệu máy thu (giúp giảm nhiễu, tiết kiệm băng thông, giảm độ phức tạp nhờ thực FFT IFFT) Giúp cho hệ thống thông tin truyền tin với tốc độ cao, đáp ứng thời gian thực việc kết hợp hệ thống Dual Turbo MIMO-OFDM cho tính thực tiễn cao Và luận văn xây dựng thành công hệ thống Dual Turbo MIMO-OFDM với vấn đề cấu trúc khối phát, khối thu, giải mã lặp, cách tác động vào luồng bit ngõ vào ngõ (DRPTC) Và qua kết mô cho thấy chất lƣợng mã Dual Turbo tốt so với mã Turbo thông thƣờng Với hệ thống Dual Turbo MIMO-OFDM thực kênh truyền vô tuyến (mặt đất) Nếu ta sử dụng mã Dual Turbo cho hệ thống vệ tinh hệ thống truyền thơng tin dƣới nƣớc (UWA Channels) hệ thống mang tính chất thiết thực cao nhằm mục đích phục vụ tốt đời sống ngƣời Và mã Turbo nâng cao chất lƣợng cách cải tiến cách thực giải mã cách thực giải động giải mã ƣu tiên nhằm giúp tăng tốc độ xử lý hệ thống HV: Nghiêm Hoàng Hải 85 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Dƣơng Văn Tồn, ― Mã Turbo ‖, Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ quy, Đại học quốc gia Hà Nội, Đại học Công Nghệ, 2005 [2] Nguyễn Mai Tố Hồng, ― Kỹ thuật mã hóa ƣớc lƣợng kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM ‖, Luận văn Thạc Sĩ, Đại học quốc gia TP.HCM, Trƣờng Đại Học Bách Khoa, 2008 TIẾNG NƢỚC NGOÀI [3] T Ohgane, T Nishimura, and Y Ogawa, ―Applications of spacedivision multiplexing and those performance in a MIMO channel,‖ IEICE Trans Commun (Japanese Edition), vol.J87-B, no.9,pp.1162–1–1173, Sept 2004 [4] G Awater, A Zelst, and R Nee, ―Reduced complexity space divi-sion multiplexing receivers,‖ IEEE VTC‘00 Spring, vol.1, pp.11–15,2000 [5] K Higuchi, H Kawai, N Maeda, H Taoka, and M Sawahashi,―Experiments on real-time 1-Gb/s packet transmission using MLD-based signal detection in MIMOOFDM broadband radio access,‖IEEE J Sel Areas Commun., vol.24, no.6, pp.1141– 1153, June 2006 [6] F Simoens, H Wymeersch, and M Moeneclaey, ―Spatial mappingfor MIMO systems,‖ IEEE Information Theory Workshop 2004,pp.187–192, Oct 2004 [7] A Wolfgang, J Akhtman, S Chen, and L Hanzo, ―Iterative MIMOdetection for rank-deficient systems,‖ IEEE Signal Process Lett.,vol.13, no.11, pp.699–702, Nov 2006 [8] N Miyazaki, Y Hatakawa, T Yamamoto, H Ishikawa, and T.Suzuki, ―A study on likelihood estimation method taking accountof mutual information in multi-level symbol — A Proposal of twin turbo decoder,‖ Proc PIMRC‘06 Fall, TH-1 #3, Sept 2006 [9] L Bahl, J Cocke, F Jelinek, andJ Raviv, ―Optimal decoding of lin-ear codes for minimizing symbol error rate,‖ IEEE Trans Inf The-ory, vol.IT-20, no.2, pp.284–287, March 1974 [10] P Robertson, E Villebrun, and P Hoeher, ―A comparison of optimaland suboptimal MAP decoding algorithms operating in the Log do-main,‖ Proc ICC‘95, pp.1009–1013, June 1995 HV: Nghiêm Hoàng Hải 86 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM [11] J.P Kermoal, L Schumacher, K.I Pedersen, P.E Mongensen, andF Fredriksen, ―A stochastic MIMO radio channel model with experimental validation,‖ IEEE J Sel Areas Commun., vol.20, no.6,pp.1211–1226, Aug 2002 [12] 3GPP, TS45.005 V7.3.0, ―Radio access network; Radio transmissionand reception (Release 7),‖ Nov 2005 [13] 3GPP2, C.S0024-A Version 1.0, ―cdma2000 high rate packet dataair interface specification,‖ April 2004 [14] C Berrou, A Glavieux and P Thitimajshima, ―Near Shannon limit errorcorrecting coding and decoding: Turbo-codes,‖ in Proc IEEE Int Conf Commun., ICC ‘93, Geneva, Switzerland, May 1993, vol 2, pp 1064-1070 [15] H Taub, D L Schilling, ―Principles of Communication Systems,‖ The City College of New York, 1986 [16] L R Bahl, J Cocke, F Jelinek, and J Raviv, ―Optimal decoding of linear codes for minimizing symbol error rate,‖ IEEE Trans Inform Theory , Mar 1974, vol IT20, pp 284-287 [17] P Komulainen and K Pehkonen, ―Performance evaluation of Superorthogonal Turbo Codes in AWGN and flat Rayleigh fading channels,‖ IEEE Journ Sel Areas Commun., Feb 1998, no 2, vol 16, pp 196-205 [18] B Sklar, Digital Communications Fundamentals and Applications, Beijing 2001 [19] Y Kim, J Cho, W Oh and K Cheun, ―Improving the performance of turbo codes by repetition and puncturing,‖ Project Report, Division of Electrical and Computer Engineering, Pohang University of Science and Technology [20] D Divsalar, S Dolinar, and F Pollara, ―Transfer Function Bounds on the Performance of Turbo Codes,‖ TDA Progress Report 42-122, Aug 1995, Communications Systems and Research Section, R J McEliece California Institute of Technology, pp 44-55 [21] D Divsalar and F Pollara, ―Multiple Turbo Codes for Deep-Space Communications,‖ The Telecommunications and Data Acquisition Progress Report 42-121, Jan.-Mar 1995, Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California, May 1995, pp 66-77 [22] A J Viterbi, ―An Intuitive Justification and a Simplified Implementation of the MAP Decoder for Convolutional Codes,‖ IEEE Journ Sel Areas Commun , Feb 1998, vol 16, pp 255-264 HV: Nghiêm Hoàng Hải 87 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ứng dụng mã Dual-Turbo hệ thống MIMO-OFDM [23] E K Hall and S G Wilson, ―Design and Analysis of Turbo codes on Rayleigh fading Channels‖, IEEE Journ Sel Areas Commun., Feb 1998, vol 16, no 2, pp 160174 [24] P Robertson, ―Illuminating the structure of code and decoder of parallel concatenated recursive systematic (turbo) codes,‖ in Proc IEEE Glob Telecommun Conf., San Franscisco, CA, Dec 1994, vol 3, pp 1298-1303 [25] Spyridon K Chronopoulos, Giorgos Tatsis, Panos Kostarakis, ― Turbo Codes—A New PCCC Design ‖, Scientific Research, 2011 [26] Spyridon K Chronopoulos, Giorgos Tatsis, Panos Kostarakis , ―Turbo Coded OFDM with Large Number of Subcarriers‖, Scientific Research, 2012 [27] Wang WenJin, Gao XiQi, Wu XiaoFu, You XiaoHu, Zhao ChungMing & Wong Kai-Kit, ― Dual-turbo receiver archtecture for turbo coded MIMO-OFDM systems,‖ in SCIENCE CHINA Information Sciences, Feb.2012, pp 384-395 [28] Michael L Walker, JunTao, Jingxian Wu, and Yahong Rosa Zheng, ―Low Complexity Turbo Detection of Coded Under-Determined MIMO Systems‖, Electrical Engineering, University of Arkansas, Fayetteville, AR 72701, USA, 2011 [29] Suchita Varade, Kishore Kulat, ―Performance Analysis of MIMO-OFDM System using Space-time Turbo Codes and Adaptive Beamforming‖, Department of Electronics & Computer Science Visvesvaraya National Institute of Technology, Nagpur, India International Journal of Computer Applications (0975 – 8887) Volume 22– No.3, May 2011 [30] Spyridon K Chronopoulos, Giorgos Tatsis, Panos Kostarakis, ―Turbo Coded OFDM with Large Number of Subcarriers‖, Scientific Research, March 18th, 2012 [31] Rinel Bhownath and Hongjun Xu, ―REPEAT-PUNCTURED TURBO TRELLISCODED MODULATION‖, IEEE, 2011 HV: Nghiêm Hoàng Hải 88 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên ... pháp nghiên cứu Để đáp ứng đƣợc mục tiêu đề cần tiến hành nghiên cứu giải vấn đề sau: - Nghiên cứu mã Turbo - Nghiên cứu mã Dual Turbo - Nghiên cứu hệ thống MIMO kết hợp OFDM sử dụng kỹ thuật mã. .. năm 2011: mã Turbo với thiết kế PCCC kiểu Bài báo nghiên cứu mã Turbo đƣợc tạo thành từ nhiều mã tích chập ghép nối song song nối tiếp với Mã Turbo cho chất lƣợng BER tốt mã tích chập Mã Turbo PCCC... dụng mã Dual -Turbo hệ thống MIMO-OFDM NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ 1- TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG MÃ DUAL TURBO TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN - Tìm hiểu lý thuyết mã Turbo: loại mã Turbo