đồ án kỹ thuật viễn thông Ứng dụng mã Turbo trong thông tin di động CDMA 2000

GVHD Ths. Đoàn Hữu Chức Lêi c¶m ¬n Sau quá trình học tập và nghiên cứu. em đã hoàn thành khóa luận của mình về “ Nghiên cứu mã Turbo” dưới sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của Thạc sỹ Đoàn Hữu Chức. Với tình cảm trân trọng. em xin chân thành cảm ơn Thạc sỹ Đoàn Hữu Chức đã hướng dẫn, chỉ bảo em hoàn thành khóa luận. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô trong khoa Điện tử - Viễn thông cùng toàn thể các thầy cô trong trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng đã dạy dỗ em trong bốn năm học vừa qua. Sự tiến bộ trong học tập và nghiên cứu của tôi có sự giúp đỡ và động viên rất lớn của các bạn cùng lớp và người thân. Tôi xin cảm ơn những tình cảm quý báu đó. Hải Phòng, ngày 09 tháng 07 năm 2009 Hoàng Hữu Hiệp GVHD Ths. Đoàn Hữu Chức Më ®Çu Bộ mã hóa và giải mã Turbo cho chất lượng rất cao và được ứng dụng rộng rãi trong thông tin di động. Nó cho phép tiến gần giới hạn Shannon. Để đi đến khái niệm về mã Turbo, ta nghiên cứu tới những khái niệm có liên quan là nền tảng để xây dựng nên cấu trúc bộ mã hóa và giải mã. Đó là những khái niệm về mã chập, mã kề,và các khái niệm toán học về xác suất, các quá trình ngẫu nhiên của một thống kê kiểm tra: Xác suất hậu nghiệm, xác suất tiền nghiệm. hàm mật độ xác suất.Và đặc biệt là những khái niệm : Đại số log-hợp lệ( log-likelihood), thông tin ngoại lai,…Thông qua ví dụ về mã nhân chúng ta thấy tác dụng của bộ giải mã SISO. Sau khi có được những khái niệm cơ bản đó. chúng ta tìm hiểu về cấu trúc bộ mã hóa và giải mã lặp dựa trên thuật toán MAP với bộ giải mã SISO ( Soft Input - Soft Output).Tìm hiểu về thuật toán giải mã Turbo. Sau đó là các ứng dụng của mã hóa Turbo trong hệ thống thông tin di động. Cuối cùng là chương trình mô phỏng việc mã hóa và giải mã Turbo trong hệ thống thông tin di động CDMA 2000 qua đó thấy được chất lượng của mã Turbo và các ứng dụng to lớn của mã Turbo trong đời sống khoa học kỹ thuật. Nội dung đồ án gồm 5 chương : • Chương 1 : Mã chập, mã kề. • Chương 2 : Các khái niệm về mã Turbo. • Chương 3 : Cấu trúc mã Turbo và bộ giải lặp. Thuật toán giải mã Turbo. • Chương 4 : Ứng dụng mã Turbo trong thông tin di động. • Chương 5 : Chương trình mô phỏng mã Turbo trông hệ thống thông tin di động CDMA 2000 và rút ra nhận xét. • Phục lục mô phỏng bằng Matlap MỤC LỤC Trang Sv. Hoàng Hữu Hiệp Trang 2 GVHD Ths. Đoàn Hữu Chức Lời mở đầu 01 Các ký hiệu viết tắt 05 Chương 1 : Mã kề. Mã chập 1.1 Giới thiệu 08 1.2 Cấu trúc mã chập và giản đồ biểu diễn 08 1.2.1 Cấu trúc mã chập 08 1.2.2 Biểu diễn mã chập 13 1.2.3 Phân bố trọng số mã chập 16 1.3 Mã kề 19 1.3.1 Cấu trúc và nguyên lý 19 1.3.2 Sơ đồ mã hóa 21 Chương 2 : Các khái niệm về mã Turbo 2.1 Các khái niệm mã Turbo 25 2.1.1 Các hàm hợp lệ 25 2.1.2 Trường hợp lớp hai tín hiệu 26 2.1.3 Tỷ số Log-Hợp lệ 28 2.1.4 Nguyên lý của giải mã lặp Turbo 29 2.2 Đại số Log-Hợp lệ 31 2.2.1 Mã chẵn lẻ đơn hai chiều 33 2.2.2 Mã nhân 34 2.2.3 Hợp lệ ngoại lai 36 2.2.4 Tính toán Hợp lệ ngoại lai 37 Chương 3: Cấu trúc mã Turbo và bộ giải lặp Thuật toán giải mã Turbo 41 3.1 Giới thiệu 41 3.2 Cấu trúc bộ mã hóa và giải mã 43 3.3 Thuật toán giải mã mã Turbo 36 3.3.1 Tông quan về các thuật toán giải mã 36 3.3.2 Giải thuật MAP 39 3.3.3 Sơ đồ khối của bộ giải mã SOVA 55 Chương 4 : Ứng dụng mã Turbo trong thông tin di động 4.1 Giới thiệu 58 Sv. Hoàng Hữu Hiệp Trang 3 GVHD Ths. Đoàn Hữu Chức 4.2. Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện 58 4.2.1. Các hạn chế khi ứng dụng TC vào hệ thống truyền thông đa phương tiện 58 4.2.1.1. Tính thời gian thực 58 4.2.1.2. Khối lượng dữ liệu lớn 59 4.2.1.3. Băng thông giới hạn 59 4.2.1.4. Tìm hiểu các đặc tính của kênh truyền 59 4.2.2. Các đề xuất khi ứng dụng TC vào truyền thông đa phương tiện 60 4.2.2.1.Kích thước khung lớn 60 4.2.2.2.Cải tiến quá trình giải mã 60 4.2.2.2.2 Giải mã ưu tiên 61 4.3. Các ứng dụng truyền thông không dây 62 4.3.1. Các hạn chế khi ứng dụng TC trong truyền thông không dây 62 4.3.1.1.Kênh truyền 62 4.3.1.2. Hạn chế về thời gian 63 4.3.1.3. Kích thước khung nhỏ 63 4.3.1.4. Băng thông giới hạn 64 4.4. Mã hóa turbo trong CDMA 2000 64 4.4.1 Các bộ mã hóa turbo tỷ lệ 1/2, 1/3, 1/4 64 4.4.2 Kết cuối mã Turbo 66 4.4.3. Các bộ chèn Turbo 67 4.4.4. Phối hợp tốc độ trong hệ thống CDMA 200 71 4.4.5. Chèn trong CDMA 200 72 4.4.5.1. Chèn khối 72 4.4.4.2. Chèn đa khung 74 4.4.5.3. Chèn OTD 75 4.4.5.4 Chèn MC 75 4.5 Kết luận 76 Chương 5 : Chương trình mô phỏng mã Turbo trông hệ thống thông tin di động CDMA 2000 và rút ra nhận xét Sv. Hoàng Hữu Hiệp Trang 4 GVHD Ths. Đoàn Hữu Chức 5.1 Giới thiệu chương 77 5.2. Lưu đồ thuật toán: 77 5.2.1. Lưu đồ thuật toán chương trình mã hoá theo bít: 78 5.2.2. Lưu đồ thuật toán mã hoá chuỗi dữ liệu đầu vào: 79 5.2.3. Lưu đồ thuật toán tính các ma trận của trạng thái trellis: 80 5.2.4. Lưu đồ thuật toán giải mã turbo: 81 5.2.5. Lưu đồ thuật toán tính lỗi bit và lỗi khung: 82 5.3. Giao diện và kết quả chương trình mô phỏng từ đó rút ra nhận xét: 83 Phụ lục mô phỏng bằng Matlap 91 Tài liệu tham khảo : 128 Kết luận 130 Sv. Hoàng Hữu Hiệp Trang 5 GVHD Ths. Đoàn Hữu Chức Danh môc c¸c ch÷ viÕt t¾t Product Code Mã nhân Extrinsic Likelihood Hợp lệ ngoại lai Metric Số đo A priori Thông tin tiền nghiệm Extrinsic Thông tin ngoại lai Survivor Đường tồn tại 3G Third Generation technology Công nghệ truyền thông thế hệ thứ 3 4G Fourth Generation Technology Công nghệ truyền thông thế hệ thứ 4 APP A posteriori probability Xác suất hậu nghiệm ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng bộ AWGN Additive white Gaussian noise Nhiễu cộng trắng chuẩn BER Bit error rate Tỷ số lỗi bít Bps bits per second Bít trên giây BPSK Binary phase shift keying Khóa dịch pha nhị phân BSC Binary symmetric channel Kênh đối xứng nhị phân CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã CRC Cyclic Redundancy Code DS non – OTD Direct Spreading – non Orthogonal Transmit Diversity Đơn sóng mang không sử dụng phân tập phát trực giao DS OTD Direct Spreading Orthogonal Transmit Diversity Đơn sóng mang với phân tập phát trực giao FEC Forward Error Correction Sửa lỗi hướng tới trước FER Frame error rate Tỷ số lỗi khung GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý Sv. Hoàng Hữu Hiệp Trang 6 GVHD Ths. Đoàn Hữu Chức GSM Global System for Mobile Communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu HCCC Hybrid Concatenated Convolutional Code Kết nối hổn hợp các bộ mã tích chập ISI Inter-symbol interference Xuyên nhiễu giữa các ký hiệu LLR Log-likelihood ratios Tỷ số log-hợp lệ LSB Least Significant Bit Bít trọng số thấp nhất. MAP Maximum a posteriori Thuật toán cực đại hậu nghiệm MC Multicarrier Đa sóng mang MCC Multimedia Communication Truyền thông đa phương tiện ML Max Log MAP Khả năng xảy ra lớn nhất MLSE Maximum likelihood squence estimation Chuỗi hợp lệ tối đa Mp Multiplexer Bộ ghép MPSK M-ary phase shift keying Khóa dich pha đa mức MSB Most Significant Bit Bit có giá trị cao nhất PCCC Parallel Concatenated Convolutional Code Kết nối song song các mã tích chập pdf probability density function Hàm mật độ xác suất QAM Quadrature Amplitude Modulation Bộ điều biến biên độ vuông góc QPSK Quaternary phase shift Keying Khóa dịch pha bốn mức RS Reed Solonon Mã tuyến tính RSC Recursive systematic convolutional Mã chập hệ thống hồi quy SCCC Serial Concatenated Convolutional Code Kết nối nối tiếp các mã tích chập SER Symbol error rate Tỷ lệ lỗi ký hiệu Sv. Hoàng Hữu Hiệp Trang 7 GVHD Ths. Đoàn Hữu Chức SISO Soft input, soft output Lối vào mềm-Lối ra mềm SNR Signal-to-noise ratio Tỷ số tín trên tạp SOVA Soft output Viterbi algorithm Thuật toán Viterbi lối ra mềm TC Turbo Code Mã Turbo TCM Trellis coded modulation Điều chế mã lưới VA Viterbi algorithm Thuật toán Viterbi VOD Video-On-Demand Video theo yêu cầu WC Wireless Communication Truyền thông không giây Sv. Hoàng Hữu Hiệp Trang 8 GVHD Ths. on Hu Chc Chng 1 Mã chập, mã kề 1.1 giới thiệu i n khỏi nim v mó Turbo, ta nghiờn cu ti nhng khỏi nim cú liờn quan l nn tng xõy dng nờn cu trỳc b mó húa v gii mó. ú l nhng khỏi nim v mó chp, mó k. Vi mó khi, chui thụng tin c chia on trong tng khi v c mó hoỏ c lp vi dng ca chui mó nh l mt dóy k tip ca chiu di cỏc t mó c lp c nh. Mó chp thỡ khỏc, n bớt c b mó chp to ra tng ng k bớt thụng tin ph thuc vo k bớt d liu v cỏc khung d liu trc ú. V nú l b mó hoỏ cú b nh. Mó chp khỏc xa so vi mó khi, trờn phng din v cu trỳc, cụng c phõn tớch v thit k. c tớnh i s l quan trng trong cu trỳc ca mt b mó khi tt v nõng cao hiu sut thut gii ca b gii mó. Ngc li, cỏc b mó chp tt hu nh u c nhn ra qua vic nghiờn cu tớnh toỏn ton din, v hiu sut cỏc thut gii ca vic gii mó xut phỏt trc tip t bn cht trng thỏi chui ca cỏc b mó chp hn l t tớnh cht i s ca mó. Trong phn ny, ta s bt u tỡm hiu cu trỳc ca mó chp,cỏch biu din mó chp thụng qua cỏc gin : hỡnh cõy, hỡnh li, v trng thỏi. Trong phn tip theo ca chng ta s cp ti mó k ( concatenated codes), Khỏi nim ó c gii thiu ln u tiờn bi Forney (1966) t ú m tỡm ra nhiu phm vi rng rói trong cỏc ng dng. 1.2 Cấu trúc mã chập và giản đồ biểu diễn 1.2.1 Cấu trúc mã chập Mó chp c to ra bng cỏch cho chui thụng tin truyn qua h thng cỏc thanh ghi dch tuyn tớnh cú s trng thỏi hu hn. Cho s lng thanh ghi dch l N, mi thanh ghi dch cú k ụ nh v u ra b mó chp cú n hm i s tuyn tớnh. Tc mó l R = k/n, s ụ nh ca b ghi dch l Nìk v tham s N cũn gi l chiu di rng buc(Contraint length) ca mó chp (xem hỡnh 1.1 ) Gi thit, b mó chp lm vic vi cỏc ch s nh phõn, thỡ ti mi ln Sv. Hong Hu Hip Trang 9 GVHD Ths. Đoàn Hữu Chức dịch sẽ có k bit thông tin đầu vào được dịch vào thanh ghi dịch thứ nhất và tương ứng có k bit thông tin trong thanh ghi dịch cuối cùng được đẩy ra ngoài mà không tham gia vào quá trình tạo chuỗi bit đầu ra. Đầu ra nhận được chuỗi n bit mã từ n bộ cộng môđun-2 (xem hình 1.1). Như vậy, giá trị chuỗi đầu ra kênh không chỉ phụ thuộc vào k bit thông tin đầu vào hiện tại mà còn phụ thuộc vào (N-1)k bit trước đó, cấu thành lên bộ nhớ và được gọi là mã chập (n, k,N). Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát bộ mã chập Giả sử u là véctơ đầu vào, x là véctơ tương ứng được mã hoá, bây giờ chúng ta mô tả cách tạo ra x từ u. Để mô tả bộ mã hoá chúng ta phải biết sự kết nối giữa thanh ghi đầu vào vào đầu ra hình 1.1. Cách tiếp cận này có thể giúp chúng ta chỉ ra sự tương tự và khác nhau cúng như là với mã khối. Điều này có thể dẫn tới những ký hiệu phức tạp và nhằm nhấn mạnh cấu trúc đại số của mã chập. Điều đó làm giảm đi tính quan tâm cho mục đích giải mã của chúng ta. Do vậy, chúng ta chỉ phác hoạ tiếp cận này một cách sơ lược. Sau đó, mô tả mã hoá sẽ được đưa ra với những quan điểm khác. Để mô tả bộ mã hoá hình 1.1 chúng ta sử dụng N ma trận bổ sung , …, bao gồm k hàng và n cột. Ma trận mô tả sự kết nối giữa đoạn thứ i của k ô nhớ trong thanh ghi lối vào với n ô của thanh ghi lối ra. n lối vào của hàng đầu tiên của mô tả kết nối của ô đầu tiên của đoạn thanh ghi đầu vào thứ i với n ô của thanh ghi lối ra. Kết quả là “1” trong nghĩa là có kết nối, là “0” nghĩa là không kết nối. Do đó chúng ta có thể định nghĩa ma trận sinh của mã chập : (1.1) Và tất cả các các lối vào khác trong ma trận bằng 0. Do đó nếu lối vào là véctơ u,tương ứng véctơ mã hoá là : (1.2) Sv. Hoàng Hữu Hiệp Trang 10 [...]... Ths on Hu Chc GVHD ng trong b ghi dch c kt ni ti b cng mụun-2 th i v nu cú giỏ tr 0 thỡ u ra th j tng ng trong b ghi dch khụng c kt ni ti b cng mụun-2 th i Vớ d 3: Cho b mó chp cú chiu di rng buc N = 3, s ụ nh trong mi thanh ghi dch k = 1, chiu di chui u ra n = 3 tc l mó (3,1,3) v ma trn sinh ca mó chp cú dng sau: (1.5) Cú th biu din di dng a thc sinh l: (1.6) Do ú s mó chp c biu din nh sau : Hỡnh 1.4... quyt nh ỏng tin cy, chuyn ti bc 7 7 Li ra mm l : Phn tip theo, ta s ly vớ d minh ho ng dng ca thut gii i vi mó nhõn n gin 2.2.1 Mã chẵn lẻ - đơn hai chiều(TwoDimensional Single Parity Code) Ti b mó hoỏ, cỏc bớt d liu v bớt chc l u cú mi liờn h gia bớt d liu v chn l trong hng hay ct riờng bit c din t di dng cỏc s nh phõn (1,0) (2.15) V i,j (2.16) Du l phộp cng modul-2 Cỏc bớt phỏt c biu din di cỏc chi... li vo b nhn, cỏc bớt nhiu sai c biu din bi chui ,, õy cho mi bit d liu nhn, cho mi bớt chn l, v n biu din phõn phi nhiu, nú l thng kờ c lp vi c v Cỏc ch s i v j biu din v trớ trong mng li ra b mó hoỏ Tuy nhiờn, s tin li hn khi chỳng ta biu din chui nhn di dng õy k l ch s thi gian C hai quy c s c s dng Chỳng ta s dng i v j khi trng tõm vo mi liờn h v v trớ trong mó nhõn, v s dng k khi trng tõm... ca th thin tin cy ca quyt nh ú Thụng thng giỏ tr ca i vi vic gii mó cú cựng ký hiu nh l v do ú hot ng nhm ci thin tin cy ca 3.1.4 Nguyên lý của giải mã lặp Trong b nhn thụng tin thụng thng, b gii iu ch thng c thit k to ra nhng quyt nh mm v ri c truyn ti b gii mó Vic ci thin cht lng (hiu sut) li ( error- performance ) s dng h thng nh quyt nh mm so sỏnh vi quyt nh cng c ỏnh giỏ gn 2dB trong AWGN Nh... thớch trong hỡnh (2.2), Tng quỏt ta gi s rng d liu nh phõn cú kh nng l nh nhau, to ra giỏ tr LLR tin nghim ban u L(d) = 0 ng vi s hng th ba trong phng trỡnh (2.7) Giỏ tr LLR kờnh truyn c o bi vic lp logarit ca t s giỏ tr v cho quan sỏt riờng bit x ( Hỡnh 2.1), xut hin s hng th hai ca phng trỡnh (2.7) Li ra ca b gii mó trong hỡnh 2.2 c to thnh LLR t b tỏch súng v li ra LLR ngoi lai , biu din thụng tin. .. kờ biu din cỏc th +1 v -1 tng ng vi mc lụgớc 1 v 0 Theo cỏch ny, thỡ sinh ra -1 khi v cú cỏc giỏ tr nh nhau (cựng l +1 hay -1) v sinh ra +1 khi v cú giỏ tr khỏc nhau Do ú: Ta s tỡm hiu ý ngha cỏc ký hiu trong cụng thc : õy logarit t nhiờn c s dng, v hm sgn(.) biu din hm du Cú 3 phộp cng trong phng trỡnh (2.12) Du + c s dng cho phộp cng thụng thng Du c s dng ch tng modul-2 ca d liu c biu din di dng... sau: v chui xỏo trn : Sp xp trong b xỏo trn : Nh th gi s bớt b li khi ú sau khi qua b xỏo trn thỡ cỏc bớt li phõn b ngu nhiờn c lp nhau (hỡnh v di ) Sv Hong Hu Hip Trang 22 Ths on Hu Chc GVHD Túm li, chng va ri ó trỡnh by v vai trũ mó kờnh trong h thụng tin s, gii hn Shannon v phõn tớch v hai loi mó cú cht lng cao trong h thng vin thụng : mó chp v mó k l c s nghiờn cu tip v mó Turbo Sv Hong Hu Hip Trang... ), v c gi l LLR ngoi lai, biu din thụng tin b sung c vay mn t quỏ trỡnh gii mó Chui li ra ca b gii mó h thng c cu thnh cỏc giỏ tr biu din cỏc bớt d liu v cỏc bớt chn l T phng trỡnh (3.9) v (3.10) li ra LLR ca b giI mó bõy gi c vit nh sau : (2.11) Phng trỡnh (2.11) cho thy li ra LLR ca b gii mó h thng cú th c biu din nh l cú ba phn t LLR - mt phộp o kờnh truyn, m thụng tin tin nghim v d liu,v LLR ngoi... hai lớp tín hiệu i vi cỏc phn t logic nh phõn 1 v 0 c biu din bng cỏc mc in th in t tng ng l +1 v -1 Bin d c s dng biu din bit d liu c phỏt, mi khi xut hin, nú xem nh l in th hoc phn t logic ụi khi theo mt cỏch nh dng l tin li hn nh dng khỏc ; chỳng ta cú th nhn ra s khỏc nhau trong tng hon cnh Bớt nh phõn 0 ( hay mc in th -1) l phn t khụng trong phộp cng i vi vic phỏt tớn hiu qua kờnh AWGN, Hỡnh (1.10)... ti khong cỏch ny l A5 = 1 Chui thụng tin to ra t mó ny cú trng s Hamming bng 1 v chiu di on khỏc 0 gm 3 nhỏnh Cú mt chui thụng tin khỏc cú trng s bng 2, to ra t mó cú trng s bng 6, vi 4 nhỏnh khỏc 0 Nu chỳng ta b qua chiu di ca nhỏnh bng cỏch t Z = 1, hm truyn t s tr thnh: (1.17) Ngoi ra, phõn b trng s Ai cú th nhn c bng cỏch t Y = 1 (1.18) Tng s ca cỏc chui thụng tin khỏc 0 trờn tt c cỏc tuyn cú trng . mã hóa và giải mã Turbo trong hệ thống thông tin di động CDMA 2000 qua đó thấy được chất lượng của mã Turbo và các ứng dụng to lớn của mã Turbo trong đời sống khoa học kỹ thuật. Nội dung đồ án. Chương 1 : Mã chập, mã kề. • Chương 2 : Các khái niệm về mã Turbo. • Chương 3 : Cấu trúc mã Turbo và bộ giải lặp. Thuật toán giải mã Turbo. • Chương 4 : Ứng dụng mã Turbo trong thông tin di động. . lặp dựa trên thuật toán MAP với bộ giải mã SISO ( Soft Input - Soft Output).Tìm hiểu về thuật toán giải mã Turbo. Sau đó là các ứng dụng của mã hóa Turbo trong hệ thống thông tin di động. Cuối