Nghiên cứu cải thiện chất lượng mã LDPC

Nghiên cứu cải thiện chất lượng mã LDPC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HÀ THỊ KIM THOA NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG MÃ LDPC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HÀ THỊ KIM THOA NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG MÃ LDPC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số : 62 52 02 03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS-TS ĐINH THẾ CƯỜNG HÀ NỘI - 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định. Hà Nội, ngày 04 tháng 04 năm 2014 Tác giả Hà Thị Kim Thoa ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu. Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn tới thầy giáo hướng dẫn PGS. TS. Đinh Thế Cường đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu. Tác giả xin chân thành cảm ơn Phòng Sau Đại học, Bộ môn Thông tin, Khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành nhiệm vụ. Tác giả cũng xin cảm ơn Cục Tần số vô tuyến điện, là đơn vị chủ quản, đã tạo điều kiện cho phép tác giả có thể tham gia nghiên cứu trong các năm làm nghiên cứu sinh. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tác giả vượt qua khó khăn để đạt được những kết quả nghiên cứu như ngày hôm nay. TÁC GIẢ iii MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH VẼ viii DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC xi MỞ ĐẦU 1 Chương 1: TỔNG QUAN 9 1.1 Giới hạn Shannon 9 1.1.1 Lượng tin 11 1.1.2 Entropy 12 1.1.3 Kênh thông tin 13 1.1.4 Lượng tin tương hỗ 15 1.1.5 Dung lượng kênh rời rạc 15 1.1.6 Lý thuyết về mã kênh 15 1.2 Mã LDPC 17 1.2.1 Sự phát triển của các kỹ thuật mã kênh nhằm đạt giới hạn Shannon 17 1.2.2 Quá trình phát triển của mã LDPC 19 1.2.3 Cơ bản về mã LDPC 21 1.2.4 Đặc điểm của mã LDPC 25 1.3 Sơ đồ BICM-ID truyền thống 26 1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu 32 Chương 2: SƠ ĐỒ KẾT HỢP LDPC VÀ BICM-ID 35 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều chế mã LDPC 35 2.2 Cải tiến thuật toán giải mã SPA 37 iv 2.2.1 Bộ giải mã cứng 37 2.2.2 Giải mã mềm: Thuật toán tổng-tích SPA 39 2.2.3 Thuật toán giải mã SPA trong miền Log 47 2.2.4 Các thuật toán xấp xỉ 51 2.2.5 Cải tiến thuật toán SPA 51 2.2.6 Giảm sự ảnh hưởng của sai số ước lượng kênh tới chất lượng thuật toán giải mã SPA 57 2.3 Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ thống BILCM-ID 60 2.3.1 Mã hóa LDPC 60 2.3.2 Hệ thống BILCM-ID có trộn bít 63 2.4 Kết luận chương 67 Chương 3: ĐIỀU CHẾ MÃ LDPC DỰA TRÊN ĐỘ TIN CẬY CỦA CÁC BÍT MÃ 69 3.1 Xây dựng bộ hoán vị dựa trên độ tin cậy của các bít mã 69 3.2 Kết quả mô phỏng hệ thống BILCM-ID với tín hiệu đa mức 75 3.3 Kết quả mô phỏng hệ thống BILCM-ID với tín hiệu đa chiều 80 3.4 Kết luận chương 90 KẾT LUẬN 91 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt APP A Posteriori Probability Xác suất hậu nghiệm AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gao-xơ trắng cộng tính BCH Bose, Chaudhuri and Hocquenghem Mã BCH BEC Binary Erasure Channel Kênh xóa nhị phân BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít BICM-ID Bit Interleaved Coded Modulation with Iterative Decoding Điều chế mã có hoán vị bit và giải mã lặp BILCM-ID Bit-Interleaved LDPC Coded Modulation with Iterative Decoding Hệ thống điều chế mã kiểm tra mật độ thấp có hoán vị bít và giải mã lặp BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BP Belief Propogation Lan truyền niềm tin BS Binary Source Nguồn nhị phân BSC Binary Symmetric Channel Kênh nhị phân đối xứng CM Coded Modulation Điều chế mã vi DMS Discrete Memoryless Source Nguồn không nhớ rời rạc DVB-S2 Digital Video Broadcasting – Satellite – Second Generation Truyền hình số - Vệ tinh Thế hệ thứ hai FEC Forward Error Correction Sửa lỗi hướng đi FER Frame Error Rate Tỷ lệ lỗi khung GF Galois Field Trường Galois MLC Multi-Level Coding Mã đa mức MLD Maximum Likelihood Decoding Giải mã hợp lẽ cực đại LDPC Low-Density Parity-Check Code Mã kiểm tra mật độ thấp OSP Order Statistic Decoding Giải mã bậc thống kê PCCC Parallel Concatenated Convolutional Codes Mã chập liên kết song song (Mã Turbo) PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế cầu phương RA Repeat Accumulate Tích lũy lặp RBCM Reliability Based Coded Modulation Điều chế mã dựa trên độ tin cậy RS Reed - Solomon Mã Reed - Solomon vii SCCC Serial Concatenated Convolutional Codes Mã chập liên kết nối tiếp SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký hiệu SF Scale Factor Hệ số hiệu chỉnh SISO Soft Input Soft Output Đầu vào mềm Đầu ra mềm SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số công suất tín hiệu trên tạp âm SPA Sum-Product Algorithm Thuật toán tổng-tích SP Set Partitioning Phân hoạch tập SSP Semi-Set Partitioning Bán phân hoạch tập TCM Trellis Coded Modulation Điều chế mã lưới TG Tanner Graph Đồ hình Tanner VA Viterbi Algorithm Thuật toán Viterbi 4G 4 th Generation Thế hệ thứ tư viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1. Sơ đồ khối hệ thống thông tin số đơn giản 11 Hình 1-2. Kênh nhị phân đối xứng 13 Hình 1-3. Kênh xóa nhị phân 14 Hình 1-4. Kênh Gao-xơ 16 Hình 1-5. Biểu diễn ma trận và biểu diễn đồ hình Tanner của mã LDPC. 24 Hình 1-6. Vòng kín chiều dài 4 trong ma trận kiểm tra 25 Hình 1-7. Sơ đồ khối hệ thống BICM-ID 27 Hình 1-8. Nguyên lý giải mã cứng (a) và giải mã mềm (b) 28 Hình 1-9. Phẩm chất hệ thống BICM-ID phụ thuộc vào kiểu ánh xạ 31 Hình 2-1. Sơ đồ khối hệ thống 36 Hình 2-2. Cây kiểm tra trên đồ hình Tanner. 38 Hình 2-3. Tập con của đồ hình Tanner. (a) Hình cây với i c là gốc. (b) Phần thực tế của đồ hình Tanner với i c là nút gốc. 41 Hình 2-4. Cây hai tầng. 44 Hình 2-5. Độc lập có điều kiện giữa tập các bít. 48 Hình 2-6. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hệ số SF đối với mã LDPC dài 240 bít, 0 / b E N =2,0 dB. 53 Hình 2-7. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hệ số SF đối với mã LDPC dài 240 bít, 0 / b E N =3,0 dB. 53 Hình 2-8. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hệ số SF đối với mã LDPC dài 480 bít, 0 / b E N =2,0 dB 54 Hình 2-9. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hệ số SF đối với mã LDPC dài 480 bít, 0 / b E N =2,5 dB 55 [...]... các mã LDPC đã nhận được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu trên thế giới Với mục đích đi sâu nghiên cứu các mã LDPC, tìm các biện pháp nhằm nâng cao chất lượng mã, nghiên cứu sinh đã chọn đề tài của luận án là Nghiên cứu cải thiện chất lượng mã LDPC Trước kia, trong hệ thống thông tin số, bộ mã hoá kênh và bộ điều chế là các thành phần tách biệt và hoạt động một cách độc lập Năm 1974, Masey nghiên cứu. .. nhưng kết quả là chất lượng giảm đi từ 0,5 đến 1 dB Để cải thiện chất lượng thuật toán cực tiểu-tổng, một số cải tiến của thuật toán này đã được nghiên cứu và đề xuất với việc sử dụng hệ số hiệu chỉnh [69] Như vậy, trên thế giới mới chỉ có các nghiên cứu về việc giảm độ phức tạp thuật toán 6 tổng-tích SPA mà chưa có nghiên cứu cải thiện chất lượng thuật toán này Việc cải tiến chất lượng thuật toán... của mã LDPC, cải thiện chất lượng mã - Chương 2: SƠ ĐỒ KẾT HỢP BICM-ID VÀ LDPC Nội dung của Chương 2 trình bày mô hình hệ thống của sơ đồ BILCM-ID, như là sự kết hợp giữa sơ đồ BICM-ID truyền thống với mã LDPC Chương này đề xuất cải tiến sơ đồ mô phỏng và trình bày một kết quả về cải thiện chất lượng thuật toán giải mã LDPC bằng thuật toán SPA Các kết quả của Chương 2 liên quan đến công trình nghiên cứu. .. bít mã  Chất lượng giải mã của thuật toán tổng-tích SPA bị ảnh hưởng bởi việc tồn tại các vòng kín ngắn trên đồ hình Tanner Vấn đề nghiên cứu của luận án là cải tiến thuật toán SPA nhằm nâng cao chất lượng giải mã của thuật toán này Ngoài ra, việc ước lượng kênh chính xác là rất khó khăn và sai số của ước lượng kênh này lại ảnh hưởng tới chất lượng thuật toán giải mã tổng-tích Luận án nghiên cứu, ... tích chất lượng hệ thống Mô phỏng Monte-Carlo được sử dụng để đánh giá chất lượng hệ thống thông qua tỷ lệ lỗi bít và tỷ lệ lỗi từ mã Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Mã LDPC là họ mã có chất lượng cao và đang được áp dụng trong một số hệ thống viễn thông hiện đại như hệ thống di động 4G Các nghiên cứu về mã LDPC đang được thực hiện mạnh mẽ trong và ngoài nước Từ việc nghiên cứu, đánh giá những phẩm chất. .. tốt của mã LDPC như khả năng giải mã song song, phương pháp giải mã đơn giản (so với mã Turbo), cho thấy việc lựa chọn đề tài của luận án phù hợp với các hướng nghiên cứu hiện nay cho các mã sửa lỗi hướng đi Những hạn chế của mã LDPC được luận án nghiên cứu, phân tích và đề xuất các biện pháp cải tiến như: điều chế mã LDPC trên cơ sở độ tin cậy bít mã cho cả điều chế nhị phân và điều chế đa mức, cải tiến... đề nghiên cứu phương pháp điều chế mã thích hợp để cải thiện chất lượng hệ thống BILCM-ID Hướng nghiên cứu của Luận án được mô tả như sau Một trong những lý do làm cho mã LDPC bị lãng quên trong suốt hơn 30 năm là do độ phức tạp giải mã hợp lẽ cực đại (MLD-Maximum Likelihood Decoding) đối với mã LDPC tăng theo hàm mũ của chiều dài từ mã Sau khi mã turbo được phát hiện cùng với ứng dụng của giải mã. .. mã là một từ mã khác Mã khối được nghiên cứu đầu tiên cho nên lý thuyết về nó hoàn chỉnh hơn so với mã chập và các họ mã sau này Mã khối đầu tiên là mã Hamming [26], sau đó có các họ mã mạnh hơn là mã RS [50] và BCH (Bose, Chaudhuri and Hocquenghem) [6], [27], mã Cyclic [49] Mã BCH nhị phân là bộ mã tổng quát cho các mã Hamming và mã Golay [23] Mã RS(Reed-Solomon) là một tập hợp con của mã BCH phi... những năm gần đây, các tiến bộ của mã LDPC vượt trội mã Turbo về chất lượng tại tỷ lệ mã hóa cao làm cho mã Turbo chỉ còn phù hợp cho các ứng dụng với các tỷ lệ mã hóa thấp hơn 1.2.2 Quá trình phát triển của mã LDPC Mã LDPC (Mã kiểm tra mật độ thấp), hay còn gọi là mã Gallager, được đề xuất bởi Gallager [20], [21] Ngày nay, người ta đã chứng minh được rằng các mã LDPC bất qui tắc có độ dài khối lớn... sàn lỗi Để đưa chất lượng giải mã lặp đối với mã LDPC tiệm cận tới chất lượng giải mã hợp lẽ cực đại (MLD), các nhà nghiên cứu đã phát triển ý tưởng kết hợp Giải mã theo bậc thống kê OSD (Order Statistic Decoding) [16] dựa trên độ tin cậy của bít mã [17] với giải mã BP, thành phương pháp tái xử lý BP-OSD [28] Tại một vòng lặp nào đó trong quá trình giải mã BP, nếu không giải ra được từ mã hợp lệ thì . tâm nghiên cứu trên thế giới. Với mục đích đi sâu nghiên cứu các mã LDPC, tìm các biện pháp nhằm nâng cao chất lượng mã, nghiên cứu sinh đã chọn đề tài của luận án là Nghiên cứu cải thiện chất. các nghiên cứu về việc giảm độ phức tạp thuật toán 6 tổng-tích SPA mà chưa có nghiên cứu cải thiện chất lượng thuật toán này. Việc cải tiến chất lượng thuật toán SPA nhằm nâng cao chất lượng. vấn đề sàn lỗi. Để đưa chất lượng giải mã lặp đối với mã LDPC tiệm cận tới chất lượng giải mã hợp lẽ cực đại (MLD), các nhà nghiên cứu đã phát triển ý tưởng kết hợp Giải mã theo bậc thống kê