Nghiên cứu cải tiến thuật toán giải mã lặp LDPC và ứng dụng trong hệ thống thông tin trải phổ nhảy tần

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng bộ giải mã lặp LDPC bằngviệc cải tiến thuật toán giải mã và kỹ thuật ước lượng kênh cho giải mã lặpnhằm nâng cao

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN

Lí do lựa chọn đề tài

Trong các hệ thống thông tin vô tuyến số, khi dữ liệu thông tin đượctruyền qua kênh truyền dẫn có tạp nhiễu sẽ xảy ra lỗi Để chống lại nhữngảnh hưởng tiêu cực từ tạp nhiễu, nhiều phương pháp được áp dụng có hiệuquả, một trong những phương pháp áp dụng cho hiệu quả cao là sử dụng

mã kênh

Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) được R G Gallager đề xuấtvào năm 1962 [9], hiện nay vẫn được đánh giá là mã kênh có khả năng sửalỗi cao nhất Mã này đã được sử dụng hoặc khuyến nghị sử dụng cho nhiềuứng dụng khác nhau trong các hệ thống truyền tin thế hệ mới [18-23]

Hệ thống thông tin trải phổ FH/NC-BFSK được sử dụng phổ biến

trong lĩnh vực quân sự, bởi nó có nhiều tính năng ưu việt Thứ nhất, tín

hiệu của hệ thống có phổ rất rộng, khiến cho đối phương khó có thể sử

dụng nhiễu băng rộng để chèn phá Thứ hai, tín hiệu này phù hợp với các

kênh không ổn định, và khó khăn trong việc ước lượng pha sóng mang

Thứ ba, cấu trúc máy thu đơn giản, chịu được tác động của nhiễu mạnh.

Nhiễu tạp âm một phần băng (PBNJ) [33] là một trong những nhiễu cố

ý cơ bản mà đối phương thường sử dụng trong các hệ thống thông tin trảiphổ, loại nhiễu này gây ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng truyền tin của

hệ thống FH/NC-BFSK

Chính vì vậy, việc ứng dụng mã LDPC trong hệ thống FH/NC-BFSK

để chống lại PBNJ có thể sẽ tạo nên một hệ thống truyền dẫn vô tuyến đáp ứng các yêu cầu đặt ra trong lĩnh vực quân sự là một đề tài có tính thời sự chứa cả ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Cũng như các bộ mã kênh khác sử dụng thuật toán giải mã lặp [78],

mã LDPC cũng phải chịu sự xuất hiện của sàn lỗi khi tỉ lệ công suất tín

hiệu trên mật độ phổ công suất nhiễu (SNR) tăng cao [24] Nguyên nhângây nên sàn lỗi là do các tập bẫy (TS), chúng được hình thành từ nhữngvòng lặp ngắn trong ma trận kiểm tra trong quá trình giải mã Sự xuất hiệncủa sàn lỗi đã ảnh hưởng lớn đến hiệu quả truyền tin của các hệ thốngtruyền dẫn số, đặc biệt đối với những hệ thống yêu cầu tỉ lệ lỗi bit (BER)

thấp Vì vậy, để nâng cao chất lượng bộ giải mã lặp LDPC thì cần phải nghiên cứu cải tiến thuật toán giải mã nhằm làm giảm những ảnh hưởng tiêu cực từ tập bẫy Đây là một vấn đề nghiên cứu của luận án.

Bộ giải mã lặp LDPC sử dụng thuật toán giải mã Lan truyền niềm tin(BPA) [9; 10] có đầu vào là tỉ lệ ước lượng theo hàm lô-ga-rít (LLR) của

từng bit mã Vì vậy, để nâng cao chất lượng bộ giải mã lặp LDPC thì cần phải ước lượng chính xác các tham số thống kê đặc trưng của kênh truyền

từ tập tín hiệu thu được Đây là vấn đề nghiên cứu tiếp theo của luận án.

Từ những vấn đề đã đặt ra ở trên, Nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài

nghiên cứu của luận án là “Nghiên cứu cải tiến thuật toán giải mã lặp LDPC và ứng dụng trong hệ thống thông tin trải phổ nhảy tần”.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng bộ giải mã lặp LDPC bằngviệc cải tiến thuật toán giải mã và kỹ thuật ước lượng kênh cho giải mã lặpnhằm nâng cao chất lượng truyền tin trong hệ thống thông tin trải phổ FH/NC-BFSK bị nhiễu một phần băng

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là kết hợp giải tích với

mô phỏng Monte-Carlo trên máy tính bằng công cụ MATLAB

Đối tượng nghiên cứu

Bộ giải mã lặp LDPC bằng thuật toán quyết định mềm; Kỹ thuật ướclượng kênh theo phương pháp của Reed cho giải mã lặp; Hệ thống thôngtin trải phổ FH/NC-BFSK trường hợp bị gây nhiễu một phần băng.

Luận án được trình bày 138 trang, ngoài phần Mở đầu và Kết luận,

luận án chia thành 3 chương Chương 1: Tổng quan; Chương 2: Nghiên cứu cải tiến thuật toán giải mã lặp LDPC dựa vào syndrome; Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng mã LDPC trong hệ thống thông tin trải phổ FH/NC-BFSK.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hệ thống thông tin trải phổ nhảy tần sử dụng mã kênh

1.2 Mã LDPC

1.2.1 Định nghĩa mã LDPC

1.2.2 Phương pháp biểu diễn mã LDPC trên đồ thị Tanner

1.2.3 Mã hóa LDPC dùng ma trận kiểm tra

1.2.4 Giải mã lặp LDPC bằng thuật toán quyết định mềm

1.2.4.1 Khái quát chung

1.2.4.2 Thuật toán giải mã BPA trên miền lô-ga-rít

Thuật toán BPA trên miền lô-ga-rít có đầu vào là (2.1) để thực hiệngiải mã với ma trận H [74]

( ) Pr( ( 0 ) ),

log

i i

r (2.1)

trong đó, r là tập các ký hiệu thu nhận được qua kênh truyền

Tại mỗi lần lặp g, thuật toán có hai công đoạn: 1) cập nhật tin cho tất

cả các nút kiểm tra và gửi thông tin từ các nút kiểm tra tới các nút bit cóliên quan; 2) cập nhật tin cho tất cả các nút bit và gửi thông tin từ các nútbit tới các nút kiểm tra có liên quan

Thông tin E j,i( )g cập nhật cho các nút bit vi được tính như sau:

i B i i j i

j i

i B i i j i

M E

M

g g

Thông tin M j,i( )g

cập nhật cho các nút kiểm tra sj được tính như sau:

in

i j,i j A j j j i i

= å + (1.11)

trong đó, A i là tập hợp các nút kiểm tra trên cột thứ i của ma trận kiểm tra

H có giá trị bằng “1”; L yin ( ) ˆi là LLR của bit mã thứ i ở đầu vào bộ giải

( ) ( )

i

L y y

L y

g g

g

ìïï ïí ïï ïî

max

ˆg

1.2.4.3 Độ phức tạp tính toán của thuật toán BPA

Độ phức tạp tính toán của thuật toán BPA được tính như sau:

BPA BPA

1.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bộ giải mã lặp LDPC

1.2.5.1 Ảnh hưởng của độ dài từ mã

Độ dài từ mã càng lớn thì chất lượng giải mã đạt được càng cao

1.2.5.2 Ảnh hưởng của số lần lặp cực đại

Số lượng vòng lặp cực đại càng lớn thì chất lượng giải mã càng cao.Tuy nhiên, quan hệ này không phải tuyến tính vô hạn

1.2.5.3 Ảnh hưởng của tập bẫy

Một trong những nhược điểm lớn nhất của giải mã lặp LDPC là sựxuất hiện của sàn lỗi khi SNR tăng cao [78] Sự xuất hiện này đã làm giảmchất lượng của bộ giải mã, ảnh hưởng lớn đến hiệu quả truyền tin của hệthống truyền dẫn số Nguyên nhân gây nên sàn lỗi của giải mã lặp LDPC

là do các tập bẫy, chúng được hình thành trong quá trình giải mã từ những

tổ hợp của các vòng lặp ngắn trong ma trận kiểm tra H

1.2.5.4 Ảnh hưởng của sai lệch ước lượng kênh

Nếu không ước lượng chính xác các tham số của kênh truyền thì chấtlượng của bộ giải mã bị suy giảm rất đáng kể [32]

1.3 Đặt vấn đề nghiên cứu

1.3.1 Nghiên cứu cải tiến thuật toán giải mã lặp LDPC

▪ Vấn đề nghiên cứu thứ nhất của luận án là cần lựa chọn phương án quyết định từ mã tại lần lặp g phù hợp để tìm từ mã lỗi có số bit lỗi ít nhất nhằm cải thiện chất lượng bộ giải mã lặp LDPC.

▪ Vấn đề nghiên cứu thứ hai của luận án là cần xây dựng ma trận kiểm tra mới trong quá trình giải mã có đặc tính thích nghi với thông tin kênh truyền và có thể hạn chế những ảnh hưởng tiêu cực từ những vòng lặp ngắn trong ma trận kiểm tra H nhằm cải thiện chất lượng bộ giải mã lặp LDPC trong vùng sàn lỗi.

1.3.2 Nghiên cứu ứng dụng mã LDPC trong hệ thống thông tin trải

phổ FH/NC-BFSK

▪ Vấn đề nghiên cứu thứ ba của luận án là đề xuất phương án kết hợp

kỹ thuật ước lượng kênh theo phương pháp của Reed với quá trình giải mã lặp LDPC, và cải tiến kỹ thuật ước lượng kênh này bằng việc dựa vào các bit tin cậy của từ mã lỗi nhằm nâng cao chất lượng các thuật toán giải mã

lặp LDPC cải tiến trong hệ thống thông tin trải phổ FH/NC-BFSK.

1.4 Kết luận chương 1

Trong Chương 1 đã giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin trải phổ

nhảy tần và bộ mã kênh LDPC Phần hệ thống thông tin trải phổ nhảy tần

đã đề cập đến mô hình hệ thống sử dụng mã kênh và một số bộ mã kênh

thông dụng Phần mã LDPC đã đề cập đến phương pháp biểu diễn mã trên

đồ thị Tanner; phương pháp mã hóa dùng ma trận kiểm tra; đặc biệt đề cậpchi tiết về nội dung giải mã lặp bằng thuật toán quyết định mềm và nhữngyếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bộ giải mã lặp LDPC, nhất là ảnh hưởngcủa TS và sự sai lệch ước lượng kênh Từ những nội dung nghiên cứu tổng

quan, giới hạn nghiên cứu của luận án là: Về mã kênh, nghiên cứu mã

LDPC quy tắc, trong đó, vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc cải tiếnthuật toán giải mã quyết định mềm nhằm nâng cao chất lượng bộ giải mã

lặp LDPC Về hệ thống, nghiên cứu ứng dụng mã LDPC trong hệ thống

thông tin trải phổ FH/NC-BFSK có BPNJ, bằng việc kết hợp kỹ thuật ướclượng theo phương pháp của Reed với quá trình giải mã lặp LDPC, và cảitiến kỹ thuật ước lượng kênh này nhằm nâng cao chất lượng các thuật toángiải mã cải tiến trong hệ thống

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN THUẬT TOÁN GIẢI MÃ

LẶP LDPC DỰA VÀO SYNDROME 2.1 Cải tiến thuật toán giải mã lặp LDPC dựa vào trọng số của syndrome cứng

2.1.1 Đặt vấn đề

Khi thuật toán giải mã BPA không thành công ở lần lặp cực đại gmaxthì từ mã lỗi được quyết định tại g là max yˆ (gmax ) Sự quyết định này có thể sẽkhông hiệu quả vì từ mã lỗi yˆ (gmax ) có thể sẽ có số bit lỗi nhiều hơn của từ

mã lỗi tại lần lặp g là yˆ ( )g (g g£ max) Vì vậy, cần khảo sát và lựa chọn

phương án quyết định từ mã lỗi tại lần lặp g phù hợp để giảm số bit lỗi.

2.1.2 Nghiên cứu đặc tính lỗi của giải mã lặp LDPC

Bộ giải mã lặp LDPC sử dụng thuật toán giải mã BPA có 3 loại mẫu

lỗi [25] Loại 1: Mẫu lỗi tựa ngẫu nhiên Đặc tính lỗi của mẫu lỗi này là

số bit lỗi của một từ mã lỗi thay đổi giống biến ngẫu nhiên với phương sai

nhỏ Loại 2: Mẫu lỗi dao động Đặc tính lỗi của mẫu lỗi loại này là số bit

lỗi của một từ mã lỗi thay đổi gần như có chu kỳ giữa giá trị cực đại và giá

trị cực tiểu với phương sai tương đối lớn Loại 3: Mẫu lỗi không đổi Đặc

tính lỗi của mẫu lỗi loại này là số bit lỗi của một từ mã lỗi giảm nhanh vềgiá trị không đổi sau một số lần lặp đầu tiên

Nhận xét: Số bit lỗi của một từ mã lỗi không chắc chắn giảm về giá

trị nhỏ nhất khi số lần lặp tăng Vì vậy, việc quyết định từ mã lỗi tại lầnlặp cực đại sẽ không phải là giải pháp có hiệu quả Đối với Mẫu lỗi khôngđổi thì sau một số lần lặp liên tiếp, nếu trọng số của syndrome cứng khôngđổi thì có thể thực hiện quyết định ngay từ mã lỗi để cải thiện tốc độ bộgiải mã Tương tự như vậy, đối với Mẫu lỗi dao động, có thể quyết địnhngay từ mã lỗi tại điểm cực tiểu sớm nhất của trọng số của syndrome cứng

để cải thiện tốc độ bộ giải mã

2.1.3 Lựa chọn phương án quyết định từ mã lỗi

Phương án quyết định từ mã lỗi được đề xuất tại lần lặp g có trọng

số của syndrome cứng nhỏ nhất smin, đó là từ mã lỗi yˆ ( )g ; đồng thời sử

dụng kỹ thuật dừng sớm khi bộ giải mã có sự hiện diện của Mẫu lỗi dao động và Mẫu lỗi không đổi.

2.1.4 Nội dung thuật toán giải mã BPA cải tiến dựa vào trọng số của syndrome cứng

Thuật toán cải tiến được kí hiệu là BPA-MS có nội dung tương tự như

thuật toán BPA, chỉ khác, nếu điều kiện (2.2) không thỏa mãn thì tìm từ

mã lỗi yˆ ( )g tại lần lặp g có trọng số của syndrome cứng nhỏ nhất Sau đó,

kiểm tra mẫu lỗi, nếu là Mẫu lỗi dao động hoặc Mẫu lỗi không đổi thìdừng lặp, đưa ra từ mã lỗi yˆ ( )g , nếu không thì thực hiện lại quá trình trêncho đến khi số lần lặp đạt giá trị cực đại g Ở lần lặp cực đại max g , nếumaxgiải mã không thành công thì bộ giải mã sẽ đưa ra từ mã lỗi yˆ ( )g

2.1.5 Đánh giá hiệu quả thuật toán giải mã cải tiến

Phẩm chất BER (Hình 2.7) của thuật toán BPA-MS cao hơn thuật toánBPA (khi chất lượng kênh được cải thiện) Đặc biệt, phẩm chất BER này

đã tiệm cận với trường hợp giải mã quyết định lí tưởng của thuật toánBPA-ID

Độ phức tạp tính toán của thuật toán BPA-MS được tính như sau:

BPA -MS BPA-MS

thuật toán BPA-MS và BPA

Hình 2.7: Phẩm chất BER của thuật toán

BPA, BPA-MS và BPA-ID

Mackay code (252,504)

Mackay code (252,504)

syndrome mềm

2.2.1 Đặt vấn đề

Các thuật toán giải mã cải tiến được thêm vào công đoạn “giải mã lại”khi thuật toán BPA giải mã không thành công Trong công đoạn giải mãlại, thuật toán cải tiến sẽ xây dựng và giải mã với các ma trận kiểm tratương đương hoặc ma trận kiểm tra tổng quát Các ma trận kiểm tra này

phải có đặc tính là tăng cường thông tin từ những nút kiểm tra có độ tin cậy cao cho những nút kiểm tra có độ tin cậy thấp nhằm sửa lỗi cho các bit trong tập bẫy có liên quan.

2.2.3 Thuật toán giải mã nối tiếp với các ma trận kiểm tra tương đương

2.2.3.1 Định nghĩa ma trận kiểm tra tương đương

Ma trận kiểm tra tương đương (H e) của ma trận kiểm tra H là một

ma trận thỏa mãn điều kiện:

tương ứng với L s có giá trị lớn nhất; còn tham số c được chọn lần lượt1( )itheo trình tự tăng dần của L s với 1( )i a b c¹ ¹

2.2.3.3 Nội dung thuật toán giải mã nối tiếp với các ma trận kiểm tra tương đương

Công đoạn 1, giải mã với ma trận kiểm tra H có đầu vào là (2.1), nếuthành công sẽ đưa ra từ mã hợp lệ, nếu không thành công sẽ chuyển sang

giải mã ở công đoạn 2; Công đoạn 2, xây dựng các ma trận kiểm tra H e,

lần lượt giải mã lại với các ma trận kiểm tra H e có đầu vào là (2.1), nếu

thành công sẽ đưa ra từ mã hợp lệ, nếu không thành công sẽ lựa chọn đưa

ra từ mã lỗi có số bit lỗi ít hơn

2.2.3.4 Đánh giá hiệu quả thuật toán giải mã cải tiến

Phẩm chất BER (Hình 2.15) của thuật toán BPA-EMS cao hơn nhiều

so với thuật toán BPA (khi chất lượng kênh được cải thiện), và tiệm cậnvới trường hợp quyết định lí tưởng BPA-ID nhờ phương án quyết định từ

mã lỗi có số bit lỗi ít hơn

Hệ số phức tạp tính toán của thuật toán BPA-EMS là:

Khi chất lượng kênh được cải thiện, CCFBPA-EMS sẽ suy giảm và tiệmcận với CCFBPA (Hình 2.19).

2.2.4 Thuật toán giải mã song song với các ma trận kiểm tra tương đương cải tiến

Ma trận kiểm tra tương đương cải tiến H e được xây dựng dựa vào

các hoán vị p b tìm được nhờ việc sắp xếp lại giá trị SS của các nút kiểm

tra sau mỗi lần giải mã lại b

2.2.4.3 Nội dung thuật toán giải mã song song với các ma trận kiểm tra tương đương cải tiến

Công đoạn 1, giải mã với ma trận kiểm tra H có đầu vào là (2.1), nếu

thành công sẽ đưa ra từ mã hợp lệ, nếu không thành công sẽ chuyển sang

giải mã lại ở công đoạn 2; Công đoạn 2, vừa xây dựng các ma trận kiểm

tra H , vừa đồng thời giải mã với các ma trận kiểm tra e H có đầu vào là e

(2.1), nếu thành công sẽ đưa ra từ mã hợp lệ, nếu không thành công sẽ lựachọn đưa ra từ mã lỗi có số bit lỗi ít hơn Bộ giải mã song song gồm  bộgiải mã nối tiếp (SR) đồng thời làm việc, trong đó, mỗi bộ giải mã nối tiếp

sẽ giải mã với bmax¢ =bmax/ W ma trận kiểm tra H e

2.2.4.4 Đánh giá hiệu quả thuật toán giải mã cải tiến

Hình 2.23: Tỉ lệ giải mã thành công của

thuật toán BPA-EMS và BPA-PR()

Mackay code (252,504)

Hình 2.24: Phẩm chất BER của thuật

toán BPA-EMS và BPA-PR()

Mackay code (252,504)

Tỉ lệ giải mã thành công trong công đoạn giải mã lại của các thuậttoán BPA-PR(1); BPA-PR(5) và BPA-PR(25) cao hơn thuật toán BPA-EMS (Hình 2.23); và tỉ lệ này có sự suy giảm dần theo trình tự các thuậttoán BPA-PR(1); BPA-PR(5) và BPA-PR(25) Nguyên nhân, do số lượngcác nút kiểm tra có độ tin cậy thấp được khắc phục trong ma trận kiểm tra

e

H của các bộ giải mã BPA-SR tỉ lệ thuận với bmax / W Phẩm chất BER(Hình 2.24) của các thuật toán BPA-PR(1;5;25) cao hơn thuật toán BPA-EMS Trong số đó thì phẩm chất BER của BPA-PR(1) cao hơn BPA-PR(5) và cùng cao hơn BPA-PR(25) do có sự suy giảm về tỉ lệ giải mãthành công

Hệ số phức tạp tính toán của thuật toán BPA-PR() giảm được  lần

so với thuật toán BPA-EMS:

aver aver

BPA

=

(1 )+1 C

CCF

C

b g

Thuật toán giải mã BPA-EMS thực hiện việc xử lí đơn nút kiểm tra

trong công đoạn giải mã lại, việc xử lí đơn nút kiểm tra có thể sẽ làm giảm

hiệu quả sửa lỗi bit trong vùng sàn lỗi Vì vậy, hướng nghiên cứu xử lí đa nút kiểm tra có thể sẽ cho chất lượng giải mã cao hơn.

2.2.5.2 Định nghĩa ma trận kiểm tra tổng quát

Ma trân kiểm tra tổng quát (H G) của ma trận kiểm tra H có kích

Bước 2: Tìm nút kiểm tra có giá trị SS lớn nhất;

Bước 3: Tạo thêm a nút kiểm tra cho ma trận kiểm tra H bằng cách

tổ hợp lần lượt nút kiểm tra đã tìm được ở Bước 2 với a nút kiểm tra đãtìm được ở Bước 1

2.2.5.4 Nội dung thuật toán giải mã nối tiếp với các ma trận kiểm tra tổng quát

Công đoạn 1, giải mã với ma trận kiểm tra H có đầu vào là (2.1), nếuthành công sẽ đưa ra từ mã hợp lệ, nếu không thành công sẽ chuyển sang

giải mã lại ở công đoạn 2; Công đoạn 2, xây dựng các ma trận kiểm tra

G

H Lần lượt giải mã với các ma trận kiểm tra H G có đầu vào là (2.1),nếu thành công sẽ đưa ra từ mã hợp lệ, nếu không thành công sẽ lựa chọnđưa ra từ mã lỗi có số bit lỗi ít hơn

2.2.5.5 Đánh giá hiệu quả thuật toán giải mã cải tiến