Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống thông tin di động CDMA2000

Header Page ofChương 126 1: Mã Turbo Luận văn Ứng dụng mã Turbo hệ thống thông tin di động CDMA2000 Footer Page of 126 Trang Header Page ofChương 126 1: Mã Turbo MỞ ĐẦU Cùng với phát triển Khoa Học Công Nghệ, công nghệ viễn thông năm qua có bước phát triển mạnh mẽ ngày đáp nhu cầu người Đặc biệt thông tin di động đóng vai trò quan trọng.Nhu cầu trao đổi thông tin ngày tăng số lượng, chất lượng loại hình dịch vụ kèm theo điều đòi hỏi phải tìm phương thức trao đổi thông tin Và công nghệ CDMA mục tiêu hướng tới lĩnh vực thông tin di động toàn giới Công nghệ CDMA bao gồm nhiều ưu điểm vấn đề đặt trao đổi thông tin cách cho hiệu Làm cho thông tin không bị mát đường truyền để đảm bảo chức trao đổi thông tin mã hoá phần quan trọng công nghệ CDMA.Chính mã TURBO sử dụng CDMA2000 tính cấu trúc ưu việt mã khác Để hiểu rõ ưu điểm công nghệ sử dụng mã Turbo lí em chọn đề tài tốt nghiệp:”Ứng dụng mã Turbo hệ thống thông tin di động CDMA2000” Nội dung đồ án gồm chương :  Chương 1: Khái niệm mã Turbo: Nói kết nối mã tích chập hệ thống đệ quy để tạo nên mã Turbo đưa thành phần kỷ thuật chung mã hoá Turbo kết nối song song  Chương 2: Tìm hiểu giải mã, hai thuật toán giải mã MAP SOVA  Chương 3: Trình bày ứng dụng mã Turbo:Ứng dụng truyền thông không dây truyền thông đa phương tiện vào chi tiết ứng dụng cdma2000  Chương 4: Chương trình mô mã Turbo sử dụng hệ thống thông tin di động cdma2000 để rút nhận xét mã Turbo Footer Page of 126 Trang Header Page ofChương 126 1: Mã Turbo Trong trình làm đồ án tốt nghiệp, cố gắng nhiều không tránh sai sót, em mong phê bình, bảo giúp đỡ thầy cô bạn bè Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình thầy Nguyễn Văn Cường thầy cô giáo khoa Điện Tử-Viễn Thông giúp em hoàn thành đồ án Đà Nẵng thang 06 năm 2007 Footer Page of 126 Trang Header Page ofChương 126 1: Mã Turbo 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 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 ngoài, mã hoá mã Đối với mã kết nối nối tiếp, tốc độ mã hoá: Rnt=k1k2/n1n2 Footer Page of 126 Trang Header Page ofChương 126 1: Mã Turbo 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 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 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: Footer Page of 126 Trang Header Page ofChương 126 1: Mã Turbo 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 Footer Page of 126 Trang Header Page ofChương 126 1: Mã Turbo Đầu vào 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, g ngõ hệ thống, g ngõ feedforward Hình 1.6 trình bày mã hoá RSC g Footer Page of 126 Trang Header Page ofChương 126 1: Mã Turbo 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 : Footer Page of 126 Trang Header Page ofChương 126 1: Mã Turbo 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 Footer Page of 126 Trang Header Page 10 ofChương 126 1: Mã Turbo 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 xẩy 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 Footer Page 10 of 126 Trang 10 Header Page 55 ofChương 126 1: Mã Turbo 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 chuẩn 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:  n ( D) G(D)= 1 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: Begin Footer Page 55 of 126 nhập bít vào input, nhập ma trân trạng thái state Trang 55 Header Page 56 ofChương 126 1: Mã Turbo g = [1011;1101;1111] i=1 4.2.2 Lưu đồ thuật toán mã hoá chuỗi liệu đầu vào: begin Nhập chuỗi liệu cần mã hóa X Footer Page 56 of 126 Trang 56 Header Page 57 ofChương 126 1: Mã Turbo g = [1011;1101;1111] state = zeros (1,3) i=1 i