Nghiên cứu sử dụng mã hóa turbo vào hệ thống di động thế hệ thứ 3 để chống nhiễu và sửa sai

O TRƢỜN V OT OT O N V NT i: N ÊN ỨU SỬ V O Ệ T ỐN Ể ỐN N N MÃ Ó TUR O N T Ế ỆT Ứ3 ỄU V SỬ S Chuyên ngành : Kỹ Thuật iện Tử Mã ngành : 60.52.70 GVHD HVTH KHÓA TP.Hồ Chí Minh - Năm 2006 : TS.Nguyễn Quang oan : Nguyễn Văn Quang : 11 LỜ MT  Luận văn đƣợc hoàn thành với nỗ lực ngƣời viết kiến thức học dƣới hƣớng dẫn tận tình thầy NGUYỄN QUANG HOAN Qua tập luận văn này, ngƣời viết xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn đến: Tiến sĩ NGUYỄN QUANG HOAN, ngƣời truyền đạt kiến thức bỏ nhiều cơng sức hƣớng dẫn để tập luận văn hồn thành thời hạn Thạc sĩ VŨ HOÀNG HOA, với vai trò ngƣời thầy, ngƣời trƣớc truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý báu bỏ nhiều công sức hƣớng dẫn để tập luận văn hoàn thành thời hạn Các anh chị bạn đồng nghiệp tạo điều kiện, cung cấp thơng tin đóng góp ý kiến bổ ích trình làm luận văn Tp.HCM, ngày 02 tháng 11 năm 2006 N UYỄN VĂN QU N N N Ò XÃ ỦN Ĩ V ỆT N M ộc lập – Tự – ạnh phúc ỆM V LU N VĂN T SĨ Họ tên : Nguyễn Văn Quang Ngày sinh : 22/04/1976 Nơi sinh : Nam Định Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử - K.11 - Tên đề tài : NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG MÃ HÓA TURBO VÀO HỆ THỐNG DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ ĐỂ CHỐNG NHIỄU VÀ SỬA SAI Nhiệm vụ nội dung : I Truyền liệu tốc độ cao (lên đến 2Mbps) điểm bậc hệ thống di động hệ thứ 3, nhƣng vấn đề chống nhiễu sửa sai cần thiết quan trọng Một kỹ thuật mã hóa kênh ”Mã Turbo” đƣợc ứng dụng vào để thực việc kiểm soát lỗi hệ thống Do Luận văn tập trung nghiên cứu : - Phần I: Giới thiệu hệ thống di động hệ thứ - Phần II: Mã hóa (Mã Turbo) - Phần III: Mơ Phỏng Ngày giao nhiệm vụ hoàn thành nhiệm vụ : II Từ 23/06/2006 đến 30/09/2006 ( Quyết định 978/QĐ-ĐTĐH&SĐH ngày 23/06/2006 trƣờng Đại học Giao thông Vận tải ) III Cán hƣớng dẫn : Tiến sĩ Nguyễn Quang Hoan Nội dung đề cƣơng luận văn thạc sĩ đƣợc Hội đồng thông qua ngày…… tháng …… năm 2006 án hƣớng dẫn hủ nhiệm Ngành ộ môn TS.Nguyễn Quang Hoan Khoa quản lý Ngành Phòng tạo ại học Sau đại học LỜ NÓ ẦU Sự hội tụ thông tin di động công nghệ dựa giao thức IP (Internet) mục tiêu tiến tới hệ mạng di động thứ IMT-2000 thứ (4G) Hiện nay, hệ thống thông tin di động hệ thứ đƣợc triển khai nƣớc phát triển, riêng hệ thống thông tin di động hệ thứ hoàn thiện phát triển vƣợt bậc, hai hệ thống nhanh chóng mở đƣờng cho việc xã hội hóa, tồn cầu hóa Đối với tất phía hữu quan, thị trƣờng internet di động đem lại hội cách mạng truyền dẫn tốc độ cao hay ứng dụng đa phƣơng tiện Công nghệ Internet di động ngày đem lại cho thuê bao di động khả truy cập kho thông tin khổng lồ Internet lúc, nơi thông qua máy điện thoại di động Truyền liệu tốc độ cao (lên đến 2Mbps) điểm bật hệ thống di động hệ thứ 3, nhƣng vấn đề chống nhiễu sửa sai cần thiết quan trọng (trong hai hệ thống hệ thứ thứ 4) Một kỹ thuật mã hóa kênh ”Mã Turbo” đƣợc ứng dụng vào để thực việc kiểm sốt lỗi hệ thống Mục đích luận văn tập trung nghiên cứu tìm hiểu mã Turbo ứng dụng vào hệ thống di động hệ thứ 3, bên cạnh tận dụng tiến lĩnh vực tin học để mơ phƣơng pháp mã hóa giải mã mã Turbo với trợ giúp máy tính phân tích đánh giá, so sánh kết mô Trƣớc Việt nam, Saigon Postel Corp nhà tiên phong khai thác viễn thông sử dụng công nghệ CDMA, xuất nhiều nhà cung -i- cấp khác sử dụng công nghệ (nhƣ VNPT, Công Ty Viễn Thông Hà Nội, Công Ty Viễn Thông Điện Lực EVN) triển khai mạng di động hệ thứ (riêng EVN triển khai thành công đƣa vào khai thác sử dụng) Những kết đƣợc nghiên cứu đề tài minh chứng ƣu điểm hệ thống di động 3G giúp cho ngƣời sử dụng thụ hƣởng đƣợc lợi ích cơng nghệ dịch vụ Vì thời gian có hạn nên báo cáo chủ yếu tập trung sâu nghiên cứu tìm hiểu phƣơng pháp mã hóa giải mã mã Turbo mô phần mềm MATLAB 5.3 Tuy nhiên trình độ ngƣời thực luận văn cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Do đó, ngƣời thực luận văn mong nhận đƣợc đóng góp từ tất Q Thầy Cơ bạn bè để khắc phục rút kinh nghiệm sai sót nhằm hồn thiện Xin chân thành cám ơn! - ii - MỤC LỤC M P ẦN : Ệ T ỒN ƢƠN : L N Ớ T T Ế Ệ T Ứ MT-2000 ỆU 1.1 Hệ thống thông tin hệ thứ (1G) 1.2 Hệ thống di động hệ thứ hai (2G) 1.3 Hệ thống thông tin di động hệ thứ ba (3G) ƢƠN N : T Ế N ỆT N TN N Ệ MT-2000 2.1 Giao diện, khả kết nối mạng tiêu chuẩn dịch vụ 2.2 Mơ hình hệ thống IMT-2000 2.3 Phổ tần cho 3G ƢƠN :N ÊN ỨU T ÊU UẨN M N 11 3.1 Quá trình chuẩn hóa tiêu chuẩn 3G 11 3.2 Kết chuẩn hóa số tiêu chuẩn 13 3.3 Tiêu chuẩn tiêu biểu cho 3G - cdma2000 16 ƢƠN V : XU N ƢỚN N TRÊN T Ế P T TR ỂN V ỆT N TN ỨN N N Ớ 28 4.1 Phát triển từ GSM 29 4.2 Phát triển từ IS-136 TDMA 34 4.3 Phát triển từ IS-95 CDMA 38 4.4 Xa 3G 41 -i- MỤC LỤC P ẦN : MÃ HÓA 44 ƢƠN ƢƠN : TỔN QU N 45 : MÃ TÍ P 48 2.1 Cấu trúc mã hóa tích chập 48 2.2 Biểu diễn mã hóa tích chập 49 2.3 Mã tích chập Catastrophic 54 2.4 Giải mã định mềm định cứng 54 2.5 Thuật toán Viterbi định cứng 55 2.6 Thuật toán định mềm 64 2.7 Phân tích thực mã tích chập 68 ƢƠN : MÃ Ó TUR O 72 3.1 Bộ mã hóa chập hệ thống đệ qui (RSC) 72 3.2 Các mã hóa tích chập đệ qui không đệ qui 75 3.3 Sự kết nối mã 77 3.4 Thiết kế chèn 79 ƢƠN V: MÃ MÃ TUR O LẶP 87 4.1 Nguyên lý giải mã Viterbi ngõ mềm 87 4.2 Độ tin cậy giải mã SOVA tổng quát 88 4.3 SOVA mã Turbo 94 4.4 Bộ giải mã thành phần SOVA 102 4.5 Sơ đồ khối giải mã SOVA 111 4.6 Bộ giải mã Turbo lặp 112 ƢƠN V : P ÂN TÍ VỆ T Ự ỆN MÃ TUR O 126 5.1 Các yếu tố ảnh hƣởng đến việc thực mã Turbo 126 5.2 Các kênh ngõ vào nhị phân không nhớ biên liên kết 127 5.3 Cải tiến việc thực giải mã mã Turbo cách tăng hệ số scaling khoảng cách - ii - MỤC LỤC tự theo chuẩn 3GPP2 (cdma2000) 136 5.4 Cải tiến thực mã turbo qua thiết kế chèn 144 ƢƠN V : SO S N SỰ K N Ữ MÃ TÍ U P V MÃ TUR O 153 6.1 So sánh hệ thống mã hóa việc thực mã hóa: 154 P ẦN Ớ T : ƢƠN ỆU KẾT QU M : TỔN ƢƠN QU N 158 II : TÓM TẮT TO N M ƢƠN P ỎN 157 ƢƠN TRÌN P ỎN 160 : P ÂN TÍ KẾT QU M P ỎN 169 3.1 Thực mã Turbo với số lần lặp Iter=1, Eb/No = 3dB với kiểu chèn khác 169 3.2 Thực mã Turbo có framesize=1000, Eb/No=3dB với kiểu chèn khác 170 3.3 So sánh phƣơng pháp giải mã Viterbi SDVA (mã tích chập) giải mã SOVA (mã Turbo) 173 ƢƠN KẾT LU N & T P L ỆU T L V: ƢƠN ƢỚN MK P TRÌN M P ỎN 175 T TR ỂN 178 O 179 ……… 180 - iii - DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN VĂN ÌN P ẦN : Ệ T ỐN TRON N T Ế LU N VĂN Ệ T Ứ MT-2000 Hình 2-1: Mơ hình hệ thống IMT-2000 có thêm hệ thống tiền IMT-2000 Hình 2-2: Phổ tần IMT-2000 10 Hình 3-1: phát triển tiêu chuẩn Cellular di động 15 Hình 3-3: Hình cấu trúc lớp cdma2000 19 Hình 4-1: Tiến trình phát triển tới 3G 29 Hình 4-2: Cấu trúc mạng GSM/GPRS 30 Hình 4-3: Cấu trúc mạng GPRS-136 36 Hình 4-4: Cấu trúc mạng cdma2000 41 Hình 4-5: Xu phát triển thông tin di động xa 3G 42 P ẦN I : MÃ HĨA Hình 1-1: Q trình truyền thơng tin 45 Hình 1-2: Sơ đồ khối hệ thống thông tin 47 Hình 2-1: Ví dụ mã tích chập x(i) chùm bit thơng tin ngõ vào c(i) chùm bit đƣợc mã hóa ngõ 48 Hình 2-2: Bộ mã hóa tích chập với k=1, n=2, r=1/2, m=2, K=3 49 Hình 2-3: Biểu diễn biểu đồ mã hóa Hình 2-2 cho khoảng thời gian bit ngõ vào 50 Hình 2-4: Biểu diễn biểu đồ trạng thái cho mã tích chập Hình 2-2 51 Hình 2-5: Con đƣờng độ trạng thái cho chuỗi thông tin ngõ vào {1011} 52 - iv - DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN VĂN Hình 2-6: Biểu diễn biểu đồ trellis mã hóa Hình 2-2 cho khoảng thời gian bit ngõ vào 53 Hình 2-7: Con đƣờng trellis cho chuyển tiếp trạng thái Hình 2-5 53 Hình 2-4: Ví dụ mã tích chập catatrophic 54 Hình 2-9: Giải mã định cứng mềm 55 Hình 2-10: Hệ thống mã tích chập 55 Hình 2-11: Kiểu kênh hệ thống nhị phân, p xác suất chéo 57 Hình 2-12: Biểu đồ chuyển tiếp trạng thái (chú thích trellis) mã hóa tích chập ví dụ 62 Hình 2-13: Giải mã HDVA theo ví dụ 63 Hình 2-14: Biểu đồ trạng thái bổ sung hình 2-4 Sa trạng thái bắt đầu Se trạng thái cuối 69 Hình 3-1: Mã Turbo tổng quát gồm mã hóa chập hệ thống đệ qui (RSC) 72 Hình 3-2: Bộ mã hóa tích chập có r=1/2 K=3 73 Hình 3-3: Bộ mã hóa RSC lấy từ hình 3.2 với r=1/2 K=3 73 Hình 3-4: Cách thức kết thúc trellic mã RSC 74 Hình 3-5: Bộ mã hóa tích chập khơng đệ qui r=1/2 K=3 với chuỗi ngõ vào ngõ 75 Hình 3-6: Bộ mã hóa tích chập đệ qui r=1/2 K=2 Hình 3-5 với chuỗi ngõ vào ngõ 75 Hình 3-7: Biểu đồ trạng thái mã hóa khơng đệ qui hình 3-5 76 Hình 3-8: Biểu đồ trạng thái mã đệ qui hình 3-6 76 Hình 3-9: Mã kết nối nối tiếp 77 Hình 3-10: Mã kết nối song song 78 -v- PHỤ LỤC if bi==1 u1_est=deturndomain(u1(1:L)); u1_con=[u1_con u1_est]; end [cppath]=competingpath_matrix(u1,MLstate,a,L); [MLmetric,cpmetric]=ML_cp(M1,M2,MLstate); [L1u,delta]=reliability(u1,MLmetric,cpmetric,cppath,L); Le1u=L1u - I1_LcY1 - Le2u; %sova2 if ch_int==1 I_Le1u=interleaver(Le1u,L);%interleaver elseif ch_int==2 I_Le1u=interleaver1(Le1u,n,m); else I_Le1u=interleaver2(Le1u,L,alpha); I_Le1u(L+1)=Le1u(L+1); I_Le1u(L+2)=Le1u(L+2); end tsn=branchmetric(ut,xt2,LcY1,LcY3,I_Le1u,L); [M1,M2,a]=pathmetric(tsn,L); [u1,MLstate]=sova_decoded(1,a,L+2); if bi==1 if ch_int==1 aaa=interleaver(u1(1:L),L); elseif ch_int==2 aaa=interleaver1(u1(1:L),m,n); else aaa=interleaver2(u1(1:L),L,rev_alpha); end aaa=deturndomain(aaa); u_iter1=[u_iter1 aaa]; end [cppath]=competingpath_matrix(u1,MLstate,a,L); [MLmetric,cpmetric]=ML_cp(M1,M2,MLstate); [L2u,delta]=reliability(u1,MLmetric,cpmetric,cppath,L); I_Le2u=L2u - LcY1 - I_Le1u; if ch_int==1 Le2u=interleaver(I_Le2u,L);%de_interleaver elseif ch_int==2 Le2u=interleaver1(I_Le2u,m,n); else Le2u=interleaver2(I_Le2u,L,rev_alpha); Le2u(L+1)=I_Le2u(L+1); Le2u(L+2)=I_Le2u(L+2); end end if ch_int==1 u_est=interleaver(u1(1:L),L);%de_interleaver elseif ch_int==2 u_est=interleaver1(u1(1:L),m,n); else - 221 - PHỤ LỤC u_est=interleaver2(u1(1:L),L,rev_alpha); end u_est=deturndomain(u_est); u_dec=[u_dec u_est]; hold off; if L