nghiên cứu mã turbo trong hệ thống cdma

CÁC TỪ VIẾT TẮT  ARQ:Automatic Repeat Request :Yêu cầu lặp lại tự động  AWGN: Additive White Gaussian Noise :Nhiễu Gauss trắng  APP : A Posterior Probability: Xác suất Posterior  BSC : Base Station Controler :Bộ điều khiển trạm gốc  BER : Bit Error Rate: Tỉ lệ lỗi bit  FER : Frame Error Rate :Tỉ lệ lỗi khung.  BTS :Base Trancever Station: Trạm vô tuyến gốc .  CDMA : Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo mã.  DES: Digital Encode Signal :Mã hoá kênh thoại số.  FSP : Trạng thái hữu hạn.  FDMA: Frequence Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo tần số.  GSM : Global System for Mobile communication: Dịch vụ di động toàn cầu.  HDVA : Hard VA :Thuật toán Viterbi quyết định cứng.  HCCC : Hybrid Concatenated Convolutional Code: Kết nối hỗn hợp các mã tích chập.  HRL: Bộ đăng ký định vị thường trú.  IDS : Iterative Decoding Suitability : Phù hợp giải mã lặp.  IMT-2000 : International Mobi Telephone2000 : Điện thoại di động quốc tế 2000.  ITU: International Telecommunication Union: Hiệp hội viễn thông quốc tế.  I : Interleaver : Bộ chèn.  IWF: Chức năng hòa mạng .  LLR : Log likelihodd Ratio :Tỉ số tin cậy.  MAP:Maximum A Posteriori:là xác suất lớn nhất của 1 bit nào đó được truyền dựa trên tín hiệu nhận được.  MAC :Medium Access Control: Điều khiển truy nhập phương tiện .  MEM : Memory: Cấp độ nhớ.  MSC :Mobile service Switching Center Trung tâm chuyển mạch di động .  MMC : Multimedia Communication : Truyền thông đa phương tiện.  ML : Maximum Likelihood : Khả năng xảy ra lớn nhất.  PCCC : Parallel Concatenated Convolutional Code: Mã tích chập kết nối song song.  PSTN :Public Switched Telephone Network: Mạng điện thoại công cộng.  PN : Pseudo Noise: Tạp âm giả ngẫu nhiên  RSC : Recursive Systemtic Convolutional Code: Mã tích chập hệ thống đệ quy.  SOVA : Soft VA : thuật toán Viterbi quyết định mềm.  SNR:Signal to Noise Ratio : Tỉ số tín hiệu / nhiễu.  SCCC : Serial Concatenated Convolutional Code : Mã tích chập kết nối nối tiếp.  TDMA: Time Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo thời gian.  VA :Viterbi Algorithm: Thuật toán Viterbi. MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của Khoa Học và Công Nghệ phục vụ cho cuộc sống của con người công nghệ viễn thông trong những năm qua đã có những bước phát triển mạnh mẽ cung cấp ngày càng nhiều tiện ích . Thế kỷ 21 chứng kiến sự bùng nổ thông tin ,trong đó thông tin di động đóng một vai trò rất quan trọng.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 phương thức trao đổi thông tin mới .Và công nghệ CDMA là mục tiêu hướng tới của lĩnh vực thông tin di động trên toàn thế giới . Công nghệ CDMA bao gồm nhiều ưu điểm nhưng vấn đề đặt ra là trao đổi thông tin bằng cách nào cho hiệu quả nhất .Làm sao cho thông tin không bị mất mát trên đường truyền để đảm bảo chức năng trao đổi thông tin và mã hoá là một phần quan trọng của công nghệ CDMA.Chính vì thế mã TURBO được sử dụng trong CDMA do những tính năng và cấu trúc ưu việt hơn những mã khác.Nhằm khai thác tối đa những ưu điểm của công nghệ này ta cần tìm hiểu kỹ vấn đề mã Turbo và đây là lí do em chọn đề tài:”Nghiên cứu mã Turbo trong hệ thống CDMA”. Nội dung đồ án gồm 5 chương :  Chương 1:Tổng quan về công nghệ CDMA:Giới thiệu những đặc tính của CDMA.  Chương 2: Khái niệm về mã Turbo: Nói về sự kết nối các bộ mã tích chập hệ thống đệ quy để tạo nên mã Turbo.  Chương3: Mã turbo kết nối song song hay còn gọi là mã Turbo (Turbo Code):Tìm hiểu về bộ mã hoá và bộ giải mã ,biện pháp cải tiến chất lượng, các bộ chèn và kỹ thuật xoá.  Chương 4: Ứng dụng của mã Turbo:Ứng dụng trong truyền thông không dây và truyền thông đa phương tiện.  Chương 5: Chương trình mô phỏng và kết quả: Chọn thuật toán giải mã Log-Map và SOVA,chọn kích thước khung,sử dụng kỹ thuật xoá hay không,chọn giá trị E b /E o và chọn giới hạn lỗi để kết thúc chương trình. 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. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Duy Nhật Viễn và các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử-Viễn Thông đã giúp em hoàn thành đồ án này. M M Ụ Ụ C C L L Ụ Ụ C C CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CDMA 1 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1 1.2 TỔNG QUAN 1 1.3 THỦ TỤC THU/PHÁT TÍN HIỆU 2 1.4 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CDMA 2 1.4.1 Tính đa dạng của phân tập 2 1.4.2 Điều khiển công suất CDMA 3 1.4.3 Công suất phát thấp 5 1.4.4 Bộ mã-giải mã thoại và tốc độ số liệu biến đổi 5 1.4.5 Bảo mật cuộc gọi 6 1.4.6 Chuyển giao mềm(Soft Handoff) 7 1.4.7 Dung lượng 7 1.4.8 Tách tín hiệu thoại 8 1.4.9 Tái sử dụng tần số và vùng phủ sóng 8 1.4.10 Giá trị E b /E 0 thấp và chống lỗi 8 1.4.11 Dung lượng mềm 9 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 9 CHƯƠNG 2 : KHÁI NIỆM MÃ TURBO 10 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 10 2.2 SỰ KẾT NỐI MÃ VÀ RA ĐỜI CỦA MÃ TURBO(TURBO CODE) 10 2.3 BỘ MÃ HOÁ TÍCH CHẬP HỆ THỐNG ĐỆ QUY (RSC) 11 2.3.1 Mã chập tuyến tính 12 2.3.2 Mã tích chập hệ thống đệ quy 13 2.3.3 Các bộ mã hoá tích chập đệ quy và không đệ quy 14 2.3.4 Kết thúc Trellis 15 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 16 CHƯƠNG 3 : MÃ TURBO KẾT NỐI SONG SONG 17 3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 17 3.2 BỘ MÃ HOÁ 17 3.3 KỸ THUẬT XOÁ (PUNCTURE) 19 3.4 BỘ CHÈN (INTERLEAVER) 20 3.4.1 Bộ chèn ma trận 21 3.4.2 Bộ chèn giả ngẫu nhiên 21 3.4.3 Bộ chèn dịch vòng 22 3.4.4 Bộ chèn chẵn-lẻ(Odd-Even) 22 3.4.5 Bộ chèn Smile 23 3.4.6 Bộ chèn khung 24 3.4.7 Bộ chèn tối ưu 25 3.4.8 Bộ chèn đồng dạng 25 3.4.9 Bộ chèn S 25 3.5 BỘ GIẢI MÃ 26 3.5.1 Khái niệm về các thuật toán giải mã 26 3.5.2 Tổng quan về các thuật toán giải mã 27 3.5.3 Thuật toán Log-MAP 29 3.5.4 Thuật toán SOVA 30 3.5.4.1 Độ tin cậy của bộ giải mã SOVA tổng quát 30 3.5.4.2 Bộ giải mã thành phần SOVA 33 3.5.4.3 Sơ đồ khối của bộ giải mã SOVA 34 3.6 CẢI TIẾN CHẤT LƯỢNG PCCC QUA THIẾT KẾ BỘ CHÈN 37 3.6.1 Thiết kế bộ chèn mới 39 3.6.2 Các phương pháp tối ưu hoá cấu trúc bộ chèn 42 3.7 SỰ KHÁC NHAU GIỮA MÃ CHẬP VÀ MÃ PCCC 42 3.8 SO SÁNH CHẤT LƯỢNG CÁC HỆ THỐNG MÃ HOÁ 42 3.9 KẾT LUẬN CHƯƠNG 43 CHƯƠNG 4 :ỨNG DỤNG CỦA MÃ TURBO 44 4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 44 4.2 CÁC ỨNG DỤNG TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN(MMC) 44 4.2.1 Hạn chế khi ứng dụng TC vào MCC 44 4.2.1.1 Băng thông giới hạn 44 4.2.1.2 Khối lượng dữ liệu lớn 44 4.2.1.3 Tính thời gian thực 44 4.2.1.4 Các đặc tính của kênh truyền 44 4.2.2 Các đề xuất khi ứng dụng TC vào MCC 45 4.2.2.1 Kích thước khung lớn 45 4.2.2.2 Cải tiến quá trình giải mã 45 4.3 CÁC ỨNG DỤNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 46 4.3.1 Các hạn chế khi ứng dụng TC trong truyền thông không dây 46 4.3.1.1 Kênh truyền 46 4.3.1.2 Hạn chế về thời gian 47 4.3.1.3 Kích thước khung nhỏ 47 4.3.1.4 Băng thông giới hạn 47 4.3.2 Cải tiếnviệc thực hiện giải mã PCCC bằng cách tăng hệ số Scalling và khoảng cách tự do theo chuẩn CDMA2000 47 4.3.2.1 Bộ mã hoá PCCC theo chuẩn CDMA2000 47 4.3.2.2 Phân bố trọng số 2,3 ở mã PCCC trong CDMA2000 50 4.3.2.3 Hệ số Scalling 51 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 52 CHƯƠNG 5 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 54 5.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 54 5.2 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 54 5.2.1 Cấu trúc chương trình 54 5.2.2 Chương trình chính 54 5.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 56 5.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 62 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Phổ trong quá trình thu và phát CDMA 1 Hình 1.2: Các quá trình phân tập trong CDMA 3 Hình 1.3: Điều khiển công suất trong CDMA 5 Hình 1.4: Chuyển giao mềm 7 Hình 2.1: Mã kết nối nối tiếp 10 Hình 2.2: Mã kết nối song song 11 Hình 2.3: Thanh ghi dịch cho sự mã hóa 12 Hình 2.4: Các ví dụ về mã chập 13 Hình 2.5: Bộ mã hoá tích chập có r=1/2 ; K=3 13 Hình 2.6: Bộ mã hoá RSC của hình 2.5 14 Hình 2.7: Bộ mã hoá tích chập không đệ quy r = 1/2 va K = 3 với chuỗi ngõ vào và ngõ ra 14 Hình 2.8: Bộ mã hoá tích chập đệ quy có r = 1/2 và K = 3 của hình 2.6 cùng với chuỗi ngõ vào và ra 15 Hình 2.9: Cách thức kết thúc trellis ở bộ mã RSC 15 Hình 3.1: Bộ mã hoá PCCC tổng quát 18 Hình 3.2: Mã PCCC tốc độ 1/3 gồm 2 bộ mã hoá chập hệ thống đệ quy 18 Hình 3.3: Sơ đồ chi tiết mã hoá PCCC tốc độ 1/3 19 Hình 3.4: Bộ chèn làm tăng trọng số mã của bộ mã hoá RSC2 khi so sánh với bộ mã hoá RSC1 20 Hình 3.5: Bộ chèn ma trận 21 Hình 3.6: Bộ chèn giả ngẫu nhiên với độ dài chuỗi ngõ vào L= 8 21 Hình 3.7: Bộ chèn dich vòng với L=8, a=3, s=0 22 Hình 3.8: Mô tả bộ chèn Smile 24 Hình 3.9: Bộ chèn bán ngẫu nhiên với L = 16 và S = 2 26 Hình 3.10: Các thuật toán giải mã dựa trên Trellis 27 Hình 3.11: Bộ giải mã lặp Log-MAP 29 Hình 3.12: Các đường survivor và đường cạnh tranh để ước đoán độ tin cậy.30 Hình 3.13: Ví dụ trình bày việc gán độ tin cậy bằng cách sử dụng các giá trị metric trực tiếp 32 Hình 3.14: Tiến trình cập nhật cho thời điểm t  2 (MEM low = 2) 33 Hình 3.15: Bộ giải mã thành phần SOVA 34 Hình 3.16: Sơ đồ khối bộ giải mã SOVA 35 Hình 3.17: Bộ giải mã SOVA lặp 36 Hình 3.18: Quá trình tạo thông tin extrinsic 40 Hình 3.19: Cấu trúc bộ giải mã lặp với các trọng số 41 Hình 3.20: So sánh hệ thống mã hoá 43 Hình 4.1: Sơ đồ giải mã lặp 46 Hình 4.2: Bộ giải mã Pipeline 46 Hình 4.3: Sơ đồ bộ mã hoá PCCC theo chuẩn CDMA2000 48 Hình 4.4: Thủ tục tính địa chi ngõ ra của bộ chèn 49 Hình 4.5: Khoảng cách tự do hiệu dụng 52 Hình 5.1: Chương trình mô phỏng chính 55 Hình 5.2: Kết quả lần 1 59 Hình 5.3: Kết quả lần 2 59 Hình 5.4: Kết quả lần 3 60 Hình 5.5: Kết quả lần 4 60 Hình 5.6: Kết quả lần 5 61 Hình 5.7: Kết quả lần 6 61 Hình 5.8: Kết quả lần 7 62 Chương 1: Tổng quan về CDMA 1 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CDMA 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Lý thuyết về CDMA đã được xây dựng từ những nǎm 1950 và được áp dụng trong thông tin quân sự từ những nǎm 1960. Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin trong những nǎm 1980, CDMA đã được thương mại hoá từ phương pháp thu GPS và Ommi-TRACS, phương pháp này cũng đã được đề xuất trong hệ thống tổ ong của Qualcomm - Mỹ vào nǎm 1990. Trong chương này ta đề cập đến những vấn đề sau:  Tổng quan về CDMA.  Thủ tục thu phát tín hiệu trong CDMA.  Các đặc điểm của CDMA. 1.2 TỔNG QUAN Hình 1.1: Phổ trong quá trình thu và phát CDMA T/L: là thời hạn cắt. Trong thông tin CDMA thì nhiều người sử dụng chung thời gian và tần số, mã PN (tạp âm giả ngẫu nhiên) với sự tương quan chéo thấp được ấn định cho mỗi người sử dụng. Người sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định. Đầu thu tạo ra một dãy giả ngẫu nhiên như ở đầu phát và f 0 1/T T Phổ tin T/L F c F c +T/L Phổ tín hiệu đã phát T/L f c f c +T/L Phổ tín hiệu thu được f 0 1/T T Phổ tin tức Trải phổ Nén phổ Máy phát dùng mã PN để trải phổ [...]... này trình bày:  Sự kết nối các mã và sự ra đời của mã Turbo( TC)  Gới thiệu về mã chập hệ thống đệ quy (Recursive Systematic Convelutional Code_RSC), là cơ sở của việc tao ra mã TC 2.2 SỰ KẾT NỐI MÃ VÀ RA ĐỜI CỦA MÃ TURBO( TURBO CODE) 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 ReedSalomon dài không nhị phân... về bộ mã chập 12 Chương 2: Khái niệm mã Turbo (1+0+0+0) 1 + 1 0 0 0 + 1 (1+0+0) (1+1+0+0) 0 + 1 1 0 0 + 1 (1+0+0) Hình 2.4: Các ví dụ về mã chập 2.3.2 Mã tích chập hệ thống đệ quy Mã tích chập hệ thống đệ quy được lấy từ bộ mã hoá tích chập thông thường bằng cách hồi tiếp một trong những ngõ ra mã hoá thành ngõ vào của nó c(1) + x D D + c(2) Hình 2.5: Bộ mã hoá tích chập có r=1/2 ; K=3 Một bộ mã tích... 1/6 Trong quá trình hợp các chuỗi mã hoá thành một chuỗi mã hoá duy nhất ta có thể dùng một kỹ thuật khá mới mẻ đó là kỹ thuật xoá (puncture) Một mã Turbo tiêu biểu là loại được kết nối theo kiểu PCCC Sơ đồ khối được biểu diễn trong hình 3.2 Bộ mã hoá RSC1 x Bộ chèn Bộ mã hoá RSC2 c1 c2 c3 Hình 3.2: Mã PCCC tốc độ 1/3 gồm 2 bộ mã hoá chập hệ thống đệ quy 18 Chương 3: Mã Turbo kết nối song song Bộ mã. .. bằng cách loại bỏ một trong số các BS và trở thành chuyển giao hai đường 1.4.7 Dung lượng Việc tái sử dụng tần số trong hệ thống tế bào tạo ra một mức độ giao thoa nhất định để mở rộng dung lượng hệ thống một cách có điều khiển Do CDMA có đặc tính gạt giao thoa một cách cơ bản nên có thể thực hiện điều khiển giao thoa có hiệu quả hơn trong hệ thống FDMA và TDMA Trong hệ thống CDMA một băng tần rộng... khi so với các hệ thống analog hoặc TDMA có công suất tương tự Hơn nữa, việc giảm công suất phát yêu cầu sẽ làm tǎng vùng phục vụ và làm giảm số lượng BS yêu cầu khi so với các hệ thống khác Một tiến bộ lớn hơn của việc điều khiển công suất trong hệ thống CDMA là làm giảm công suất phát trung bình Trong đa số trường hợp thì môi trường truyền dẫn là thuận lợi đối với CDMA Trong các hệ thống bǎng hẹp... ,còn bộ mã hoá 2 là bộ mã trong. Đối với mã kết nối nối tiếp ,tốc độ mã hoá: Rnt=k1k2/n1n2 Đối với mã song song , tốc độ mã hoá tổng : 10 Rss= k/( n1+n2) Chương 2: Khái niệm mã Turbo Bộ mã hoá1 r = k/n1 Bộ ghép (Multiplexer) Ngõ vào Bộ mã hoá r = k/n2 Ngõ ra Hình 2.2: Mã kết nối song song Trên chỉ là các mô hình kết nối lý thuyết.Thực tế các mô hình này cần phải sử dụng thêm các bộ chèn giữa các bộ mã hoá... tiếp các mã tích chập”(Serial Concatenated Convolutional Code_SCCC) và dạng“ Kết nối hổn hợp các bộ mã tích chập”( Hybrid Concatenated Convolutional Code_HCCC).Các loại mã này có nhiều đặc điểm tương tự nhau và cùng xuất phát từ mô hình của Berrou nên gọi chung là: TURBO CODE ( TC) 2.3 BỘ MÃ HOÁ 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. .. so sánh hiệu suất của phương pháp điều chế và mã hoá số .Mã sửa sai được sử dụng trong hệ thống CDMA cùng với giải điều chế hiệu suất cao,có thể tăng dung lượng và giảm công suất yêu cầu đối với máy phát giảm Eb/E0 8 Chương 1: Tổng quan về CDMA 1.4.11 Dung lượng mềm Hệ thống CDMA có mối liên quan linh hoạt giữa số người sử dụng và loại dịch vụ .Trong hệ thống Analog và TDMA thì số cuộc gọi được ấn định... 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 sự kiện bộ mã hoá là hệ thống Để kiểm tra bộ mã hoá tích chập đệ quy hay không đệ quy ,ta xét ví dụ sau ,bộ mã tích... TURBO GIỚI THIỆU CHƯƠNG 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 Chương này . công nghệ này ta cần tìm hiểu kỹ vấn đề mã Turbo và đây là lí do em chọn đề tài: Nghiên cứu mã Turbo trong hệ thống CDMA . Nội dung đồ án gồm 5 chương :  Chương 1:Tổng quan về công nghệ CDMA: Giới. của CDMA.  Chương 2: Khái niệm về mã Turbo: Nói về sự kết nối các bộ mã tích chập hệ thống đệ quy để tạo nên mã Turbo.  Chương3: Mã turbo kết nối song song hay còn gọi là mã Turbo (Turbo. : KHÁI NIỆM MÃ TURBO 10 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 10 2.2 SỰ KẾT NỐI MÃ VÀ RA ĐỜI CỦA MÃ TURBO( TURBO CODE) 10 2.3 BỘ MÃ HOÁ TÍCH CHẬP HỆ THỐNG ĐỆ QUY (RSC) 11 2.3.1 Mã chập tuyến