Mã turbo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÃ TURBO Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Giảng viên hướng dẫn : Th S BÙI THỊ BÍCH TUYỀN Sinh viên thực : PHẠM THÀNH ĐẠT MSSV:0951040016 Lớp: DV09 TP Hồ Chí Minh, 2013 Luận văn tốt nghiệp Mã Turbo LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, nội dung luận văn tơi thực Mọi trích dẫn luận văn trung thực thích Tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm luận văn Sinh viên thực Phạm Thành Đạt Luận văn tốt nghiệp Mã Turbo MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iii LỜI MỞI ĐẦU CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ MÃ TURBO 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Sự kết nối mã đời mã Turbo TC 1.3 Bộ mã hóa tích chập hệ thống đệ quy RSC 1.3.1 Mã chập tuyến tính 1.3.2 Mã tích chập hệ thống đệ quy 1.3.3 Các mã hóa tích chập đệ quy không đệ quy 1.3.4 Kết thúc Trellis 1.3.5 Quyết định cứng định mềm 1.4 Kết luận chương 10 CHƯƠNG 2: MÃ TURBO KẾT NỐI SONG SONG 11 2.1 Giới thiệu chương 11 2.2 Bộ mã hóa 11 2.3 Kỹ thuật xóa (puncture) 13 2.4 Bộ chèn (Interleaver) 13 2.4.1 Bộ chèn ma trận 15 2.4.2 Bộ chèn helical 16 2.4.3 Bộ chèn giả ngẫu nhiên 17 2.4.4 Bộ chèn dịch vòng 17 2.4.5 Bộ chèn bán ngẫu nhiên 18 2.4.6 Bộ chèn chẵn lẻ 19 2.4.7 Bộ chèn simile 20 2.4.8 Bộ chèn khung 21 2.5 Bộ giải mã 22 2.5.1 Khái niệm thuật toán giải mã 22 2.5.2 Tổng quan thuật toán giải 22 2.5.3 Thuật toán Log-MAP 24 2.5.4 Thuật toán SOVA 25 2.6 Sự khác giữ mã chập mã PCCC 33 2.7 So sánh chất lượng hệ thống mã hóa 33 2.8 Kết luận chương 34 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA MÃ TURBO 35 3.1 Ứng dụng vào truyền thông đa phương tiện 35 3.1.1 Các hạn chế ứng dụng TC vào hệ thống truyền thông đa phương tiện: 35 3.1.2 Các đề xuất ứng dụng TC vào truyền thông đa phương tiện 36 3.2 Các ứng dụng truyền thông không dây 39 3.2.1 Các hạn chế ứng dụng TC truyền thông không dây 39 3.2.2 Mã Turbo CDMA2000 41 3.2.3 Mã Turbo UMTS 48 i Luận văn tốt nghiệp Mã Turbo CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG 50 4.1 Giới thiệu chương 50 4.2 Cấu trúc chương trình 50 4.3 Kết 51 ii Luận văn tốt nghiệp Mã Turbo DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT APP A posteriori probability Xác xuất hậu nghiệm AWGN Additive White Gausian Noise Nhiễu cộng trắng chuẩn BER bit error rate Tỷ số lỗi bit BPSK Binary phase shift keying Điều chế pha bit CDMA Code Division Multiple Đa truy cập phân chia theo mã Access GSM Golbal System for Mobile Dịch vụ di động toàn cầu Communication HCCC Hybrid Concatenated Kết nối hỗn hợp mã Convolutional Code tích chập MAP Maximum a posteriori Thuật toán cực đại hậu nghiệm ML Maximum Likehood Khả xảy lớn PCCC Parallel Concatenated Mã tích chập song song Convolutional Code RSC Recursive Systematic Mã chập hệ thống hồi quy Convolutional SCCC Serial Concatenated Mã tích chập nối tiếp Convolutional Code SISO Soft Input, Soft Output Lối vào mềm, lối mềm SOVA Soft Input, Viterbi algorithm Thuật toán Viterbi lối mềm SNR Signal-to-noise-ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu iii Luận văn tốt nghiệp Mã Turbo LỜI MỞ ĐẦU Theo quy luật sử phát triển, người ta đòi hỏi ngày cao hệ thống thông tin Theo đó, trải qua hệ thống khác nhau, vấn đề về: tốc độ liệu, chất lượng dịch vụ, tính đơn giản hệ thống hiệu kinh tế quan tâm Để đạt tốc độ cao nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ, đáp ứng nhu cầu thông tin liên lạc ngày cao người hệ thống truyền dẫn phải đảm bảo hoạt động an toàn hiệu Trong lĩnh vực truyền dẫn, việc đảm bảo thông tin từ nơi gửi đến nơi nhận an tồn xác ln trọng Tuy nhiên, truyền dẫn, vấn đề ln tồn nhiễu Nhiều làm sai lệch thơng tin truyền Vì mã Turbo góp phần giúp cho máy thu khác phục lỗi bit nhiễu gây đường truyền Trong q trình mã hóa, mã Turbo đem lại kết khả quan Nên phải để mã Turbo sử dụng hiệu Mã Turbo giới thiệu vào năm 1993, bao gồm hai mã chập hệ thống đệ qui (Recursive Systematic Convolution Code - RSCC) kết nối song song kết hợp xáo trộn thuật toán giải mã lặp Các thuật toán giải mã Turbo thường có đặc tính giống kết hợp thuật toán giải mã lặpvà kiểu giải mã thành phần với lối vào mềm , lối mềm (Soft Input/ Soft OutputSISO) Có hai kiểu giải mã thành phần phổ biến cho mã Turbo giải mã ước lượng theo chuỗi (Sequence Estimation) SOVA ( Soft Out Viterbi Algorithm) thuật toán ước lượng theo ký hiệu (Symbol by Symbol) nhưMAP( Maximuma posteriori), cải tiến chúng Mã turbo mã có chất lượng tốt so với mã biết từ trước tới với độ phức tạp mã hóa giải mã chấp nhận Các kết mô cho thấy chất lượng mã tiến gần giới hạn Shannon khung liệu phát lớn Khi khung liệu nhỏ chất lượng vấn tốt nhiều so với mã hóa khác Tại Việt Nam giới, mã Turbo nghiên cứu áp dụng nhiều hệ thống CDMA, UMTS, Luận văn tốt nghiệp Mã Turbo Việc cải tiến nâng cao hiệu mã Turbo đồng nghĩa với việc chất lượng hệ thống tăng cao, đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng truyền thông Đề tài giúp cho hiểu sâu khâu truyền thơng số: mã hóa kênh Đây mục đích nghiên cứu đề tài Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài phải hiểu nắm khái niệm mã Turbo, cách thức mã hóa giải mã, ứng dụng vào thực tế, mô hoạt động phần mềm Chương trình mơ phải đánh giá chất lượng biểu đồ BER Phương pháp nghiên cứu: tìm đọc tài liệu ngồi nước có liên quan tổng hợp lại Từ tổng hợp lại kiến thức quan trọng, cốt lõi vấn đề Dùng phần mềm Matlab để mô hệ thống, so sánh hiệu suất hệ thống khác Trình bày khái niệm, cách thức hoạt động mã Turbo, mô hệ thống đưa nhận xét Luận văn bao gồm chương: Chương 1: Khái niệm mã Turbo Chương 2: Mã Turbo kết nối song song Chương 3: Ứng dụng mã Turbo Chương 4: Chương trình mơ Luận văn tốt nghiệp Mã Turbo CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ MÃ TURBO 1.1 Giới thiệu chương Mã Turbo kết nối gồm hai hay nhiều mã riêng biệt để tạo mã tốt lớn hơn.Mơ hình ghép nối mã Forney nghiên cứu để tạo loại mã có xác suất lỗi giảm theo hàm mũ tốc độ nhỏ dung lượng kênh độ phức tạp giải mã tăng theo hàm đại số.Mơ hình bao gồm kết nối nối tiếp mã mã ngồi Chương trình bày vấn đề: - Sự kết nối mã đời mã Turbo TC (Turbo Code) - Giới thiệu mã chập hệ thống đệ quy RSC (Recursive Systematic Convelutional Code) 1.2 Sự kết nối mã đời mã Turbo TC Forney sử dụng mã khối ngắn mã tích chập với giải thuật giải mã Viterbi xác suất lớn làm mã mã ReedSalomon dài không nhị phân tốc độ cao với thuật toán giải mã sửa lỗi đại số làm mã ngồi Mục đích lúc đầu nghiên cứu lý thuyết sau mơ hình ghép nối mã trở thành tiêu chuẩn cho ứng dụng cần độ lợi mã lớn Có hai kiểu kết nối kết nối nối tiếp (hình 1.1) kết nối song song ( hình 1.2) Ngõ vào Bộ mã hoá r = k1/n1 Bộ mã hoá r = k2/n2 Ngõ Hình 1.1 Mã kết nối nối tiếp Bộ mã hoá gọi mã ngồi, cịn mã hố mã Đối với mã kết nối nối tiếp, tốc độ mã hoá: Rnt=k1k2/n1n2 Đối với mã song song, tốc độ mã hoá tổng: Rss=k/(n1+n2) Luận văn tốt nghiệp Mã Turbo Bộ mã hoá r = k/n1 Ngõ vào Bộ mã hoá r = k/n2 Bộ ghép (Multiplexer) Ngõ Hình 1.1: Mã kết nối song song Trên mơ hình kết nối lý thuyết.Thực tế mơ hình cần phải sử dụng thêm chèn mã hoá nhằm cải tiến khả sửa sai Năm 1993, Claude Berrou, Alain Glavieux, Puja Thitimajshima viết tác phẩm “ Near Shannon limit error correcting coding and decoding :TURBO CODE” đánh dấu bước tiến vượt bậc nghiên cứu mã sửa sai.Loại mã mà họ giới thiệu thực khoảng 0.7dB so với giới hạn Shannon cho kênh AWGN.Loại mã mà họ giới thiệu gọi mã Turbo ,thực chất kết nối song song mã tích chập đặc biệt với chèn Cấu hình gọi là: “Kết nối song song mã tích chập “( Parallel Concatenated Convolutional Code PCCC) Ngồi có “Kết nối nối tiếp mã tích chập”(Serial Concatenated Convolutional Code_SCCC) dạng“ Kết nối hổn hợp mã tích chập”( Hybrid Concatenated Convolutional Code_HCCC).Các loại mã có nhiều đặc điểm tương tự xuất phát từ mơ hình Berrou nên gọi chung là: TURBO CODE (TC) 1.3 Bộ mã hóa tích chập hệ thống đệ quy RSC Trong mã TC sử dụng mã tích chập đặc biệt: mã tích chập hệ thống đệ quy RSC ( Recursive Systematic Convolutional Code ) Tính hệ thống có nghĩa đầu vào mã hố có nghĩa phần ngõ Vì ,một bit n bit ngõ vịng lặp mã hố đơn bit thơng điệp vào mã hố Luận văn tốt nghiệp Mã Turbo Tính đệ quy có nghĩa có hồi tiếp từ ngõ mã hố ngõ vào Các mã hố tích chập truyền thống khơng có hồi tiếp nên coi lọc FIR lọc RSC nhờ hồi tiếp nên coi lọc IIR 1.3.1 Mã chập tuyến tính Bộ mã hóa sử dụng ghi dịch để đưa thêm độ dư vào luồng liệu Bộ phận phần cứng việc mã hóa ghi dịch với(m+1) ngăn( stages), Hình 1.3: Sj-m Sj-1 Sj gl g1 g0 Bit thông tin xi Bit mã hóa yj Hình 1.3: Thanh ghi dịch cho mã hóa Mỗi ký hiệu gi hình số nhị phân đại diện cho ngắn mạch hở mạch( gi=1 ngắn mạch, gi=0 hở mạch) Các bits thông tin ghi kết hợp cộng modulo để tạo nên bit đầu ta gọi bit đầu bit mã hóa Cơng thức biễu diễn bit đầu ứng với bit vào là: yj =Sj-m gl   Sj-1 g1  Sj g0 (mod 2) m =  Sj – i gi i=0 Để mơ tả mã hóa mã chập người ta đưa thông số mã hóa sau : (n,k, K) , Trong k : số đầu vào n :số đầu K:chiều dài constraint lengths(số ngăn lớn ghi) Luận văn tốt nghiệp Mã Turbo 4.3 Kết Hình 4.1 5000 bit mã Turbo UMTS, điều chế BPSK, kênh truyền AWGN 51 Luận văn tốt nghiệp Mã Turbo Hình 4.2 500 bit mã Turbo UMTS, điều chế BPSK, kênh truyền AWGN 52 Luận văn tốt nghiệp Mã Turbo Hình 4.3 50 bit mã Turbo UMTS, điều chế BPSK, kênh truyền AWGN 53 Luận văn tốt nghiệp Mã Turbo KẾT LUẬN Qua đề tài này, giúp ta thấy tầm quan trọng mã Turbo truyền dẫn nói riêng hệ thống thơng tin nói chung Thấy vai trị mã hóa kênh hệ thống thông tin số Luận văn nêu kỹ thuật mã hóa, giải mã Turbo, ưu nhược điểm loại Và đánh giá chất lượng hệ thống Tuy nhiên, trình độ có hạn, nên đề tài cịn nhiều thiếu sót Như chưa phân tích kỹ yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mã Chưa sâu đưa phương pháp cải tiến chất lượng mã TC Đề xuất hướng nghiên cứu cho đề tài: - Nghiên cứu thuật toán gần tối ưu khác - Ứng dụng truyền thông không dây hệ thứ ba thứ tư - Nghiên cứu bổ sung mã TC có chiều dài mã thành phần biến đổi 54 Luận văn tốt nghiệp Mã Turbo TÀI LIỆU THAM KHẢO - Nguyễn Trung Hiếu (2011), Mã Turbo hệ thống thông tin di dộng 3G, Luận văn thạc sĩ, Học viện Cơng nghệ Bưu viễn thơng, Hà Nội - Vũ Đình Đồng (2008), Nghiên cứu kỹ thuật MIMO ứng dụng mã Turbo mơ hình hệ thống MIMO, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, Hà Nội - TS Lê Nhật Thăng (2012), Mã Turbo ứng dụng, NXB Thông tin Truyền thông, Hà Nội 55 Luận văn tốt nghiệp Mã Turbo PHỤ LỤC Code mô Matlab Main_ber.m clear all frame_length = 40; SNR_start = -7; SNR_delta = 1; SNR_stop = -6; %========================================================== ===== iteration_count = 8; chances = 3; random_interleaver = 0; filename = ['results_',num2str(frame_length),'_',num2str(SNR_start),'.mat']; if ~random_interleaver interleaver = get_UMTS_interleaver(frame_length); end SNR_count = 1; SNR = SNR_start; BERs = ones(1,iteration_count); while SNR