Ứng dụng mã turbo trong hệ thống thông tin di động CDMA

Chương 1: Mã Turbo http://www.4tech.com.vn Chương 1: Mã turbo 1.1 Giới thiệu mã turbo: Mã Turbo kết nối gồm hai hay nhiều mã riêng biệt để tạo mã tốt lớn Mô 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 Mô hình bao gồm kết nối nối tiếp mã mã Chương trình bày: • Sự kết nối mã đời mã Turbo( TC) • Gới thiệu mã chập hệ thống đệ quy (Recursive Systematic Convelutional Code_RSC), sở việc tao mã TC • Chi tiết cấu trúc mã hóa PCCC 1.2 Sự kết nối mã đời mã turbo (TURBO CODE): 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 Mục đích lúc đầu nghiên cứu lý thuyết sau mô hình ghép nối mã trở thành tiêu chuNn 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 ngoài, mã hoá mã Đối với mã kết nối nối tiếp, tốc độ mã hoá: Rnt=k1k2/n1n2 Trang Chương 1: Mã Turbo http://www.4tech.com.vn Đối với mã song song, tốc độ mã hoá tổng: Rss=k/(n1+n2) Bộ mã hoá r = k/n1 Bộ ghép (Multiplexer) Ngõ vào Bộ mã hoá r = k/n2 Ngõ Hình 1.2: Mã kết nối song song Trên mô hình kết nối lý thuyết.Thực tế mô 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 phNm “ 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 CodePCCC) Ngoài 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 mô 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 ( Recursive Systematic Convolutional Code_RSC ) 1.3.1 Mã tích chập hệ thống không hệ thống: Trang Chương 1: Mã Turbo http://www.4tech.com.vn Mã tích chập có tính hệ thống mã tích chập mà có phần từ mã ngõ dãy tin đầu vào, tức đầu vào dãy tin đưa trực tiếp đến ngõ mã Sơ đồ mã tích chập hệ thống hình 1.3 C1 Đầu vào D D D C2 hình 1.3 Bộ mã hóa tích chập hệ thống mã chập hệ thống ta dễ dàng xác định từ mã ngõ so với mã chập không hệ thống Do cấu trúc nên yêu cầu mã hóa giải mã phức tạp so với mã không hệ thống Mã chập không hệ thống có từ mã ngõ không phản ánh dãy tin đầu vào, tức đầu mã không nối trực tiếp đến dãy tin đầu vào Sơ đồ mã chập không hệ thống hình 1.4 C1 Đầu vào D D D C2 Hình 1.4 Bộ mã tích chập không hệ thống 1.3.2 Mã tích chập đệ quy không đệ quy: Mã tích chập đệ quy có từ mã ngõ đưa hồi tiếp trở lại dãy tin đầu vào Sơ đồ hình 1.5 Trang Chương 1: Mã Turbo Đầu vào http://www.4tech.com.vn D D D C Hình 1.5 mã tích chập đệ quy Mã tích chập không đệ quy có từ mã ngõ mã không đưa hồi tiếp trở lại đầu vào Sơ đồ hình 1.4 1.3.3 Bộ mã tích chập hệ thống đệ quy: Để mô tả mã hóa mã chập người ta đưa thông số mã hóa sau : (n, k, K) đó: k : số đầu vào n :số đầu K:chiều dài constraint lengths (số ngăn lớn ghi) Trong k < n để ta thêm độ dư vào luồng liệu để thực phát sai sửa sai Một mã tích chập thông thường biểu diễn qua chuỗi g1= [1 1] g2 = [ 1] viết G = [ g1,g2] Bộ mã hoá RSC tương ứng mã hoá tích chập thông thường biểu diễn G = [ 1, g2/g1 ] ngõ ( biểu diễn g1) hồi tiếp ngõ vào, g1 ngõ hệ thống, g2 ngõ feedforward Hình 1.6 trình bày mã hoá RSC Trang Chương 1: Mã Turbo http://www.4tech.com.vn c1 g1 + x + D D g2 + c2 Hình 1.6: Bộ mã hoá RSC với r=1/2 k=3 Một mã hoá tích chập đệ quy có khuynh hướng cho từ mã có trọng số tăng so với mã hoá không đệ quy, nghĩa mã tích chập đệ quy cho từ mã có trọng số thấp dẫn đến việc thực sửa sai tốt Đối với mã Turbo, mục đích việc thực mã hoá RSC tận dụng chất đệ quy mã hoá tận dụng kiện mã hoá hệ thống 1.3.4 kết thúc TRELLIS: Đối với mã tích chập thông thường, Trellis kết thúc bằng( m= k -1) bit zero thêm vào sau chuỗi ngõ vào Các bit thêm vào lái mã tích chập thông thường đến trạng thái tất zero ( trạng thái kết thúc trellis) Nhưng cách áp dụng cho mã hoá RSC có trình hồi tiếp Các bit thêm vào để kết thúc cho mã hoá RSC phụ thuộc vào trạng thái mã hoá khó dự đoán Ngay tìm bit kết thúc cho mã hoá thành phần mã hoá thành phần khác không lái đến trạng thái tất zero với bit kết thúc có diện chèn mã hoá thành phần Hình 1.7 kết thúc trellis : Trang Chương 1: Mã Turbo http://www.4tech.com.vn B X D D A C2 C1 Hình 1.7: Cách thức kết thúc trellis mã RSC Để mã hoá chuỗi ngõ vào, khoá chuyển bật đến vị trí A, để kết thúc trellis khoá chuyển bật đến vị trí B 1.4 Quyết định cứng định mềm: Chuỗi tin sau truyền qua kênh truyền giải điều chế (dumodulate) đưa đến giải mã Tín hiệu ngõ giải điều chế ngõ vào giải mã định trình giải mã “ cứng ”hay “mềm ” Nếu tín hiệu đến giải điều chế điều chế định bít bít hay gọi định cứng Ví dụ xét hệ thống sử dụng tín hiệu đường dây bipolar NRZ với biên độ ± 1V Nếu giá trị nhận 0,8V 0,03V định bit Còn giá trị nhận -0,7V 0,02 định bít ta thấy phương pháp sai sót định cứng dù 0,8V hay 0,03V giải mã nhận bít dù giá trị 0,8V có xác suất bit cao nhiều so với 0,03V Như vậy, giải mã thông tin độ xác định từ giải điều chế Việc làm cho chất lượng giải mã không phụ thuộc vào giải mã mà phụ thuộc vào giải điều chế chất lượng không cao Tuy nhiên định cứng dễ dàng cho việc giải mã Nếu giải điều chế không tự định xem giá trị lấy mẫu nhận bit hay bit mà đưa thẳng cho giải mã để giải có đầy đủ thông tin bit sau Trang Chương 1: Mã Turbo http://www.4tech.com.vn qua kênh truyền với cấu trúc phù hợp giải mã cho định xác hơn, tức chất lượng cao Bộ giải mã tính toán giá trị để xét độ tin cậy giá trị cuối định Điều làm giảm khả xNy lỗi độ lợi mã tổng cộng tăng 2,5 dB so với giải mã cứng môi trường có SRN thấp Tuy nhiên, để đạt độ lợi mã giải mã mềm có độ phức tạp cao nhiều so với giải mã cứng Với khả tính toán chíp vi xử lý hay chíp DSP với khối lượng nhớ ngày phức tạp giải mã mềm không vấn đề lớn xu hướng giới sử dụng giải mã mềm, chí giải mã lại cho loại mã khối mã tích chập truyền thống phương pháp giải mã mềm 1.5 Mã hóa mã turbo PCCC (parallel concatenated convolutional code) 1.5.1 Bộ mã hóa: Mã PCCC kết nối song song hay nhiều mã RSC Thông thường người ta sử dụng tối thiểu mã hoá tích chập Sơ đồ khối mã PCCC tổng quát trình hình 1.7 Mỗi mã hoá RSCi gọi mã thành phần (constituent code).Các mã thành phần khác nhau, tốc độ mã khác có cỡ khối bit ngõ vào k ,các chuỗi mã hoá ngõ bao gồm chuỗi hệ thống (chuỗi bit vào).Ở mã hoá thứ hai trở đi, chuỗi bit nhận vào để mã hoá trước hết phải qua chèn.Tất chuỗi mã hoá ngõ hợp lại thành chuỗi bit n bit trước truyền Trang Chương 1: Mã Turbo http://www.4tech.com.vn c0 Bộ mã hoá RSC1 x Bộ chèn Bộ mã hoá RSC2 c1,i c2,i Chuyển đổi song song sang nối tiếp puncture c Bộ chèn n-1 Bộ mã hoá RSCn cn+1,i Hình 1.8: Bộ mã hoá PCCC tổng quát Tốc độ mã hoá (code rate) mã hoá PCCC là: r = k/n Mỗi bit thông tin ngõ vào trở thành phần từ mã ngõ (tính hệ thống) kèm theo ( 1/r - 1) bit ( gọi bit parity) để sửa lỗi có Nếu r nhỏ tức số bit parity kèm lớn dẫn đến khả sửa lỗi cao nhiều tốc độ truyền giảm đi, số bit truyền nhiều có nghĩa băng thông lớn độ trễ tăng lên Theo khuyến cáo tổ chức định chuNn giá trị r nên nhỏ 1/6 Trong trình hợp chuỗi mã hoá thành chuỗi mã hoá ta dùng kỹ thuật mẻ kỹ thuật xoá (puncture) Một mã Turbo tiêu biểu loại kết nối theo kiểu PCCC Sơ đồ khối biểu diễn hình 1.9 Trang Chương 1: Mã Turbo http://www.4tech.com.vn Bộ mã hoá RSC1 x Bộ chèn Bộ mã hoá RSC2 c1 c2 c3 Hình 1.9: Mã PCCC tốc độ 1/3 gồm mã hoá chập hệ thống đệ quy Bộ mã hoá Turbo thiết kế cách kết nối song song hai mã hoá hệ thống đệ quy tích chập lại với nhau, hai mã hoá thành phần phân cách chèn ( interleaving) Chỉ có ba đầu hai RSC đầu hệ thống, đầu hệ thống có cách thay đổi thứ tự vị trí bit đầu vào Tốc độ mã hoá mã r =1/3, mã hoá RSC cho chuỗi hệ thống c1 chuỗi chập đệ quy c2, mã hoá RSC thứ hai bỏ qua chuỗi hệ thống cho chuỗi chập đệ quy c3 1.5.2 Kỷ thuật xóa (punture): Kỹ thuật xoá kỷ thuật dùng để tăng tốc độ mã mã hoá mà không làm thay đổi cấu trúc mã hoá.Tốc độ mã thấp chất lượng cao băng thông tăng.Ví dụ mã tốc độ 1/3 trở thành mã hoá tốc độ 1/2 cách thay bit ngõ vào có tương ứng bit ngõ mã hoá ta cho ngõ mã hoá bit Bản chất kỷ thuật puncture làm giảm n theo qui luật để tốc độ mã hoá r tăng lên Ví dụ: mã hình 1.9, chuỗi hệ thống c1 giữ nguyên chuỗi c2 c3 lấy xen kẽ Chuỗi c2 lấy bit lẻ bit chẵn chuỗi c3 mã có tốc độ 1/2 Khi giải mã nhận chuỗi bit đến thêm vào chuỗi bit chỗ bị xoá bớt Như làm sai lệch bit parity nên giảm chất lượng 1.5.3 Bộ chèn (interleaver): Đối với mã Turbo, có hay nhiều chèn sử dụng mã hoá thành phần Bộ chèn sử dụng mã hoá nhằm mục đích hoán chuỗi ngõ vào có trọng số thấp thành chuỗi có từ mã ngõ trọng số cao Trang Chương 1: Mã Turbo http://www.4tech.com.vn hay ngược lại Luôn đảm bảo với chuỗi ngõ vào ngõ mã hoá cho từ mã trọng số cao mã hoá cho từ mã trọng số thấp để làm tăng khoảng cách tự tối thiểu Bộ chèn sử dụng mã hoá mà với giải chèn (deinterleaver) có giải mã đóng vai trò quan trọng Vai trò chèn giải mã bộc lộ hết Một chèn tốt làm cho ngõ vào giải mã SISO tương quan với tức mức độ hội tụ thuật toán giải mã tăng lên, đồng nghĩa với việc giải mã xác Ví dụ chèn sử dụng để tăng trọng số từ mã hình 1.10 x Mã hệ thống Bộ mã hoá RSC c1 c2 Mã trọng số thấp Bộ chèn Bộ mã hoá RSC Mã trọng số cao c3 Hình 1.10: Bộ chèn làm tăng trọng số mã mã hoá RSC2 so sánh với mã hoá RSC1 Từ hình 1.10, mã hoá RSC1 chuỗi ngõ vào x cho chuỗi mã tích chập đệ quy có trọng số thấp c2 Để tránh mã hoá RSC2 cho chuỗi ngõ đệ quy khác có trọng số thấp, chèn hoán vị chuỗi ngõ vào x thành chuỗi với hi vọng cho chuỗi mã tích chập đệ quy có trọng số cao c3 Vì vậy, trọng số mã mã PCCC vừa phải, kết hợp từ mã trọng số thấp mã hoá trọng số cao mã hoá hình 1.11 ví dụ minh họa Theo hình 1.11 chuỗi ngõ vào xi cho chuỗi ngõ c1i c2i tương ứng chuỗi ngõ vào x1 x2 chuỗi hoán vị khác x0 bảng 1.1 trình bày kết từ mã trọng số từ mã Trang 10 Chương 3: ứng dụng mã turbo cdma2000 http://www.4tech.com.vn c) chế độ MC chức DEMUX phân phối ký hiệu vào cho đường đường chức MUX kết hợp ký hiệu vào từ đường đường xuống hình 3.4 cấu trúc đan xen khối N ký hiệu 3.5 kết luận: Qua chương ta biết ứng dụng mã TC vào truyền thông đa phương tiện truyền thông không dây, cụ thể ứng dụng cdma2000 Những khó khăn thực để tìm cách khắc phục nhược điểm nhằm mang lại tiện ích công nghệ CDMA sống nguời Bộ mã sử dụng cdma2000 mô chương giúp ta hiểu sâu Trang 52 Chương 4: chương trình mô http://www.4tech.com.vn CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MÃ TURBO TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA2000 4.1 Giới thiệu chương: Trong chương trình bày chương trình mô mã turbo sử dụng hệ thống thông tin di động hệ theo chuNn CDMA2000 Chương trình viết ngôn ngữ Matlab, thông qua chương trình mô giúp ta kiểm tra lại lý thuyết hiểu sâu mã turbo,cũng khả ứng dụng mã turbo tốc độ bít cao Qua cho đánh giá đặc điểm khả sửa lỗi mà loại mã hóa kênh khác Trong chương trình mô ta nhập bit số liệu vào khác nhau, số lần lặp giải mã khác nhau, số bit khung để thu kết giải mã, BER khác Bộ mã có hàm truyền sau: ⎡ G(D)= ⎢1 ⎣ n0 ( D ) d ( D) n1 ( D) ⎤ d ( D) ⎥⎦ Trong d(D) = 1+D2+D3 , n0(D) = 1+D+D3 n1(D) = 1+D+D2+D3 4.2 Lưu đồ thuật toán: 4.2.1 Lưu đồ thuật toán chương trình mã hoá theo bít: Trang 53 Chương 4: chương trình mô http://www.4tech.com.vn Begin nhập bít vào input, nhập ma trân trạng thái state g = [1011;1101;1111] i=1 Output(i)=g(i,1)*input i=i+1 j=2 Output(i)=xor(output(i),g(i,j)*state(j-1) j=j+1 Đ j[...]... này gây nhiều khó khăn cho việc truyền thông Mã TC ra đời đã thúc đNy một quá trình tìm tòi, phát triển mới nhờ những đặc tính ưu việt của nó chương này trình bày các ứng dụng chung của mã Turbo trong hệ thống truyền thông và trình bày chi tiết ứng dụng trong hệ thống thông tin di động cdma2 000 3.2 Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện: Ứng dụng trong truyền thông đa phương tiện là đề tài mới được... Trang 32 Chương 3: ứng dụng mã turbo trong cdma2 000 http://www.4tech.com.vn Chương 3: ứng dụng mã turbo trong hệ thông tin di động cdma2 000 3.1 Giới thiệu chương: Trong lĩnh vực viễn thông thì hai hệ thống gây nhiều khó khăn nhất là truyền thông không dây (wireless communication) và truyền thông đa phương tiện (multimedia communication -MMC) do một số điểm đặc thù của hai loại hệ thống này gây nhiều... tăng chất lượng Ví dụ như một hệ thống sử dụng số lần lặp giải mã cố định là 10 Khi sử dụng hệ thống này với phương pháp giải mã động có số vòng lặp tối đa là 15 thì số vòng lặp giải mã trung bình sẽ giảm rất nhiều, chỉ khoảng 5 -7 vòng Như vậy ta đã tiết kiệm được rất nhiều thời gian, tăng thời gian đáp ứng của hệ thống Thậm chí có Trang 35 Chương 3: ứng dụng mã turbo trong cdma2 000 http://www.4tech.com.vn... mã lặp MAP Giải thuật giải mã được thực hiện như sau: 1 Tách tín hiệu nhận ra thành 2 chuỗi tương ứng cho bộ giải mã 1 và bộ giả mã 2 2 Ở vòng lặp đầu tiên ,thông tin a priori của bộ giải mã 1 được đưa về 0 Sau khi bộ giải mã 1 đưa ra được thông tin extrinsic thì sẽ được chèn và đưa tới bộ giải mã 2 đóng vai trò là thông tin a priori của bộ giải mã này Bộ giải mã 2 sau khi Trang 23 Chương 2: Giải mã. .. lượng của mã TC đối với từng hệ thống cụ thể Trang 19 Chương 2: Giải mã mã Turbo http://www.4tech.com.vn Chương 2: Giải mã mã turbo 2.1 Giới thiệu chương: Chương này sẽ trinh bày hai thuật toán giải mã Turbo đó là : • Thuật toán giải mã MAP • Thuật toán giải mã SOVA • So sánh chất lượng mã PCCC với các loại mã ra đời trước 2.2 Tổng quan về các thuật toán giải mã: Ngoài sự kết nối các bộ mã tích chập... không thể tăng Băng thông sử dụng trong các ứng dụng MMC rất lớn (ví dụ như VOD thường sử dụng ATM), tuy nhiên do khối lượng dữ liệu cần truyền lớn nên băng thông lớn (so với các ứng dụng trong hệ thống khác) vẫn trở thành một giới hạn cho các ứng dụng MMC Kết quả là các mã tốc độ thấp sẽ không hiệu quả 3.2.1.4 Tìm hiểu các đặc tính của kênh truyền: Các đặc tính của các kênh truyền trong MMC đơn giản... 2: Giải mã mã Turbo http://www.4tech.com.vn đưa ra thông tin extrinsic thì vòng lặp kết thúc .Thông tin extrinsic của bộ giải mã thứ 2 sẽ được giải chèn và đưa về bộ giải mã 1 như là thông tin a priori 3 Quá trình giải mã giải mã cứ lặp lại như vậy cho đến khi thực hiện đủ số lần lặp đã qui định 4 Sau vòng lặp cuối cùng, giá trị ước đoán có được tính bằng cách giải chèn thông tin ở bộ giải mã thứ 2... nét chính về các vấn đề gặp phải và một số đề nghị khi ứng dụng TC trong truyền thông đa phương tiện 3.2.1 Các hạn chế khi ứng dụng TC vào hệ thống truyền thông đa phương tiện: Các ứng dụng MMC gặp phải các ràng buộc sau đây : 3.2.1.1 Tính thời gian thực Một hạn chế quan trọng nhất của các ứng dụng MMC là thời gian eo hẹp Ví dụ như xét một ứng dụng MMC là Video-On-Demand (VOD), máy chủ VOD truyền dữ... giữa thời gian đáp ứng và tỉ lệ lỗi bit (BER) Đặc tính thời gian thực này cho thấy các mã TC ứng dụng trong MMC không thể có số vòng lặp lớn Trang 33 Chương 3: ứng dụng mã turbo trong cdma2 000 http://www.4tech.com.vn 3.2.1.2 Khối lượng dữ liệu lớn: Một đặc tính khác của các ứng dụng MMC là các khối dữ liệu lớn Chỉ cần một hình ảnh trong bộ phim cũng cần tới cỡ hàng Megabit để biễu di n Cộng với đặc... giải mã Bộ giải mã Viterbi bổ sung này được tham khảo như là bộ giải mã thuật toán Viterbi ngõ ra mềm (SOVA) y L=0 u1 SOVA 1 u2 SOVA 2 L1 L2 Hình 2.3 Bộ giải mã SOVA kết nối Trong hình trên y biểu di n các giá trị kênh nhận được, u biểu di n các giá trị ngõ ra quyết định cứng, L biểu di n các giá trị tin cậy liên kết 2.4.1 Độ tin cậy của bộ giải mã SOVA tổng quát: Trang 24 Chương 2: Giải mã mã Turbo ... N ên ứng dụng vào hệ thống thông tin yêu cầu chất lượng, tốc độ cao Trang 32 Chương 3: ứng dụng mã turbo cdma2 000 http://www.4tech.com.vn Chương 3: ứng dụng mã turbo hệ thông tin di động cdma2 000... ứng dụng hệ thống thông tin di động cdma2 000 3.2 Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện: Ứng dụng truyền thông đa phương tiện đề tài nghiên cứu gần Vì có số nét vấn đề gặp phải số đề nghị ứng. .. từ mã ngõ so với mã chập không hệ thống Do cấu trúc nên yêu cầu mã hóa giải mã phức tạp so với mã không hệ thống Mã chập không hệ thống có từ mã ngõ không phản ánh dãy tin đầu vào, tức đầu mã