MÃ TURBO và ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN vệ TINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG THỊ NGA MÃ TURBO VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN VỆ TINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HỮU TRUNG TS NGUYỄN THUÝ ANH HÀ NỘI - 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận Văn Thạc sỹ Khoa học nghiên cứu thực hướng dẫn TS Nguyễn Hữu Trung TS Nguyễn Thúy Anh Các kết tham khảo từ nguồn tài liệu công trình nghiên cứu khoa học khác trích dẫn đầy đủ Nếu có sai phạm quyền (trích dẫn thiếu sai), xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Hoàng Thị Nga MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 11 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 11 1 Giới thiệu chương 11 Tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh 11 Vấn đề truyền dẫn đặc trưng tuyến thông tin vệ tinh 13 1.4 Kết luận chương 16 CHƯƠNG 17 TÌM HIỂU LÝ THUYẾT MÃ TURBO 17 Giới thiệu chương 17 2 Tìm hiểu giới hạn Shannon chất lượng 17 Lý thuyết mã Turbo 22 Giới thiệu mã hóa kiểm soát lỗi 22 Mã khối 23 3 Mã Turbo .24 3 Giới thiệu chung mã Turbo 24 3 Sự kết nối mã Turbo 26 3 Giới thiệu mã hóa tích chập hệ thống đệ quy (RSC) .27 2.4 Kết luận chương 32 CHƯƠNG 3: 33 MÃ TURBO KẾT NỐI SONG SONG 33 3.1 Giới thiệu chương 33 3.2 Bộ mã hóa 33 3.3 Kỹ thuật xóa (PUNCTURE) 36 3.4 Bộ chèn (INTERLEAVER) 36 3.4.1 Bộ chèn ma trận 37 3.4.2 Bộ chèn giả ngẫu nhiên .39 3.4.3 Bộ chèn dịch vòng 39 3.4.4 Bộ chèn chẵn-lẻ(Odd-Even) .40 3.4.5 Bộ chèn Smile 41 3.4.6 Bộ chèn khung 42 3.4.7 Bộ chèn tối ưu 43 3.4.8 Bộ chèn đồng dạng 43 3.4.9 Bộ chèn S 43 3.5 Bộ giải mã 45 3.5.1 Khái niệm thuật toán giải mã 45 3.5.2 Tổng quan thuật toán giải mã 45 3.5.3 Thuật toán Log-MAP 48 3.5.4 Thuật toán SOVA .49 3.5.4.1 Độ tin cậy giải mã SOVA tổng quát 49 3.5.4.2 Bộ giải mã thành phần SOVA 53 3.5.4.3 Sơ đồ khối giải mã SOVA 54 3.6 Cải tiến chất lượng PCCC qua thiết kế chèn 57 3.6.1 Thiết kế chèn 58 3.6.2 Các phương pháp tối ưu hoá cấu trúc chèn .62 3.7 Sự khác mã chập mã 62 3.8 So sánh chất lượng hệ thống mã hóa 63 3.9 Kết luận chương 64 CHƯƠNG 65 ỨNG DỤNG CỦA MÃ TURBO TRONG THÔNG TIN VỆ TINH 65 Giới thiệu chương 65 Tổng quan ứng dụng vô tuyến mã Turbo 65 Ứng dụng mã Turbo thông tin vệ tinh 67 Vấn đề ước lượng kênh .67 Điều chế mã lưới Turbo TTCM (Turbo Treillis Coded Modulation) 71 CHƯƠNG 75 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 75 5.1 Giới thiệu chương 75 5.2 Chương trình mô 75 5.2.1 Lưu đồ giải thuật .75 5.2.2 Cấu trúc chương trình 77 5.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 78 5.4 Kết luận chương 85 KẾT LUẬN 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 PHỤ LỤC: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 89 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT STT TỪ VIẾT TẮT TỪ ĐẦY ĐỦ ARQ Automatic Repeat Request AWGN Additive White Gaussian Noise APP A Posterior Probability BER Bit Error Rate BPSK Binary Phase Shift Keying BSC Base Station Controler FER Frame Error Rate BTS Base Trancever Station GSM Global System for Mobile communication HCCC Hybrid Concatenated Convolutional Code 10 HDVA Hard VA 11 LLR Log likelihodd Ratio 12 MAP Maximum A Posteriori 13 MAC Medium Access Control 14 PCCC Parallel Concatenated Convolutional Code 15 QAM Quadature Amplitude Modulation 16 RSC Recursive Systemtic Convolutional Code 17 SOVA Soft VA 18 VA Viterbi Algorithm 19 VSAT Very Small Aperture Terminal DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Bảng ma trận vào .38 Bảng Các bit mã hoá lẻ chuỗi c3 41 Bảng Chuỗi tin chuỗi mã hoá ghép .41 Bảng Trạng thái cuối mã hoá 42 Bảng So sánh mã chập mã PCCC 63 Bảng 5.1 Thông số lần chạy chương trình 79 Bảng 5.2 Kết mô dạng liệu 81 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1: Hiệu sử dụng phổ sơ đồ điều chế mã hoá khác tính -5 toán cho trường hợp BER 10 kênh AWGN 21 Hình 2 Kênh thông tin .23 Hình 2.3 Bộ mã hóa Turbo tỷ lệ 1/3 25 Hình 2.4: Mã kết nối nối tiếp .26 Hình 2.5: Mã kết nối song song 27 Hình 2.6: Thanh ghi dịch cho mã hóa .28 Hình 2.7: Các ví dụ mã chập 29 Hình 2.8: Bộ mã hoá tích chập có r=1/2 ; K=3 30 Hình 2.9: Bộ mã hoá RSC hình 30 Hình 2.10: Bộ mã hoá tích chập không đệ quy r = 1/2 va K = với chuỗi ngõ vào ngõ 31 Hình 2.11: Bộ mã hoá tích chập đệ quy có r = 1/2 K = hình với chuỗi ngõ vào 31 Hình 2.12: Cách thức kết thúc trellis mã RSC 32 Hình 3.1: Bộ mã hoá PCCC tổng quát .34 Hình 3.2: Mã PCCC tốc độ 1/3 gồm mã hoá chập hệ thống đệ quy 35 Hình 3.3: Sơ đồ chi tiết mã hoá PCCC tốc độ 1/3 .36 Hình 3.4: Bộ chèn làm tăng trọng số mã mã hoá RSC2 so sánh với mã hoá RSC1 37 Hình 3.5: Bộ chèn ma trận 38 Hình 3.6: Bộ chèn giả ngẫu nhiên với độ dài chuỗi ngõ vào L= 39 Hình 3.7: Bộ chèn dich vòng với L=8, a=3, s=0 39 Bảng Bảng bit chẵn mã hoá chuỗi c2 .40 Hình 3.8: Mô tả chèn Smile 42 Hình 3.9: Bộ chèn bán ngẫu nhiên với L = 16 S = 44 Hình 3.10: Các thuật toán giải mã dựa Trellis 46 Hình 3.11: Bộ giải mã lặp Log-MAP 48 Hình 3.12: Các đường survivor đường cạnh tranh để ước đoán độ tin cậy 49 Hình 13: Ví dụ trình bày việc gán độ tin cậy cách sử dụng giá trị metric trực tiếp .51 Hình 14: Tiến trình cập nhật cho thời điểm t − (MEMlow = 2) .52 Hình 3.15: Bộ giải mã thành phần SOVA 53 Hình 16: Sơ đồ khối giải mã SOVA 54 Hình 3.17: Bộ giải mã SOVA lặp 55 Hình 3.18: Quá trình tạo thông tin extrinsic 60 Hình 3.19: Cấu trúc giải mã lặp với trọng số 61 Hình 3.20: So sánh hệ thống mã hoá 64 Hình 4.1: Hiệu việc ước lượng kênh biết pha sóng mang 68 Hình 4.2 So sánh số kỹ thuật điều chế pha sóng mang 70 Hình 4.3 : Sơ đồ thu PSAM có lọc ước lượng kênh cho miền SNR thấp 71 Hình 4.4 Parallel Concatenated Trellis Coded Modulation, 16 QAM, 2bit/s/Hz 73 Hình 4.5: BER Performance of Turbo Trellis Coded Modulation, 16QAM, 2bits/s/Hz 74 Hình 5.1: Chương trình mô 78 Hình 5.2: Kết mô lần .82 Hình 5.3: Kết mô lần .82 Hình 5.4: Kết mô lần .83 Hình 5.5: Kết mô lần .83 Hình 5.6: Kết mô lần 84 Hình 5.7: Kết mô lần .84 Hình 5.8: Kết mô lần .85 LỜI NÓI ĐẦU Sau 50 năm kể từ Shannon đưa lý thuyết thông tin số, lần nhà nghiên cứu mã hoá tìm phương pháp mã hoá tiếp cận gần tới dung lượng kênh Gaussian, phát mã Turbo vào năm 1993 Việc kết hợp mã hoá với ghép xen phía phát giải mã lặp phía thu cho kết bất ngờ Các kết mô cho thấy mã Turbo cho phép truyền tin gần cận Shannon khoảng vài phần mười dB Đây loại mã sửa lỗi mà ngày nghiên cứu để áp dụng cho môi trường hạn chế công suất thông tin vũ trụ hay vệ tinh So với hai loại mã sửa lỗi sử dụng trước mã khối mã tích chập mã Turbo có nhiều ưu điểm hẳn Nó cho phép truyền thông hiệu với hiệu suất lượng gần với giới hạn Shannon Ngày hệ thống thông tin giới có bước phát triển vượt bậc dựa phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật Tuy hệ thống thông tin hữu tuyến có sở hạ tầng phát triển với ưu điểm vượt trội, hệ thống thông tin vệ tinh đóng vai trò quan trọng hệ thống viễn thông toàn cầu Đối với khu vực địa hình hiểm trở khắc nghiệt hay chiến tranh mà thông tin hữu tuyến chưa hay sử dụng vệ tinh giải pháp ưu tiên lựa chọn Việt Nam không nằm phát triển chung mạng lưới viễn thông giới, phát triển hệ thống thông tin vệ tinh Hiện có vệ tinh VINASAT_1 phóng vào năm 2009, trình khai thác vào sử dụng Nghiên cứu kỹ thuật truyền thông thông tin vệ tinh môi trường có nhiều yếu tố tác động tới tín hiệu với khoảng cách truyền xa (tín hiệu yếu) quan trọng cho việc thiết kế, lựa chọn cấu hình vệ tinh phù hợp mặt kỹ thuật kinh tế Bởi vậy, việc nghiên cứu kỹ thuật công nghệ vệ tinh cần thiết Chính chọn luận văn tốt nghiệp cao học lĩnh vực Luận văn gồm chương: Turbo), lại có cấu trúc mạch mã hóa, giải mã đơn giản nhiều Đây mã sử dụng ứng dụng đặc biệt thông tin vệ tinh tương lai 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO C E Shannon, “A mathematical theory of communication ”, Bell Technical Journal, Vol 27, July, Oct., 1948 C Berrou, A Glavieux, and P Thitimajshima, “Near Shannon-limit error- correcting coding and decoding: turbo code, ” Proceedings of ICC’93, pp 10641070, Geneva, May, 1993 Dennis Roddy, Satellite Communication, McGraw-Hill, 1996 Ali H Mugaibel and Maan A Kousa, ”Understanding Turbo Codes”, King Fahd University of Petroleum and Minerals PO Box, 1271, Dhahran 31261, Saudi Arabia S Adrian Barbulescu, Steven S Pietrobon, ”Turbo Codes: A tutorial on a new class of powerful error correcting coding schemes”, ”Part1: Code Structures and Interleaver Design”, 26 October 1998 Ali H Mugaibel and Maan A Kousa, ”Understanding Turbo Codes”, King Fahd University of Petroleum and Minerals PO Box, 1271, Dhahran 31261, Saudi Arabia S Benedetto, D Divsalar, G Montorsi and F Pollara, “Parallel Concatenated Trellis Coded Modulation”, Proceedings of IEEE ICC’96, 1996 S Benedetto, D Divsalar, G Montorsi and F Pollara, “Bandwidth efficient parallel concatenate coding schemes”, Electronics Letters, IEEE1995 M.C Valenti, Iterative Detection and Decoding for Wireless Communication, PhD thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, July 1999 10 Đặng Văn Chuyết, Nguyễn Tuấn Anh, “Cơ sở lý thuyết truyền tin”, NXB Giáo Dục, 1999 11 Các website điện tử - viễn thông 12 Đồ án khoá trước 88 PHỤ LỤC: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG Chương trình clear all / Luu chuong trinh lai/ diary Turbo.txt /Chon thuat toan giai ma / Ttgiaima = input(' Hay chon thuat toan giai ma (0:Log-MAP, 1:SOVA) default '); if isempty(Ttgiaima) Ttgiaima = 0; end /Kich thuoc khung/ L_f = input(' Hay chon kich thuoc khung (= info + tail, default: 1000) '); if isempty(L_f) L_f = 1000; end / Ma tran sinh/ g = input(' Hay chon ma tran sinh: ( default: g = [1 1; 1 ] ) if isempty(g) g = [ 1 1; 1 ]; end [n,K] = size(g); m = K - 1; ns = 2^m; /puncture = 0, Dung ky thuat xoa voi toc ma hoa 1/2 / 89 '); /puncture = 1, Khong dung ky thuat xoá./ kt_xoa = input(' Hay chon ky thuat xoa / khong dung ky thuat xoa (0/1): default '); if isempty(kt_xoa) kt_xoa = 0; end / Toc ma hoa(Code rate)/ rate = 1/(2+kt_xoa); / a=1 kenh nhieu AWGN / a = 1; / So lan lap/ lan_lap = input(' Hay chon so lan lap cua moi khung: default '); if isempty(lan_lap) lan_lap = 5; end ket_thuc = input(' Hay chon so khung bi loi de ket thuc chuong trinh:default3 '); if isempty(ket_thuc) ket_thuc = 3; end EbN0db = input(' Hay chon ti le nang luong tren moi bit Eb/N0 don vi dB:default [3.0] '); if isempty(EbN0db) EbN0db = [3.0]; end fprintf('\n\n -\n'); if Ttgiaima == 90 fprintf(' ================================ ============================= \n'); GIAI MA Log-MAP else fprintf(' ================================ ================================ \n'); GIAI MA SOVA end fprintf(' Kich thuoc khung = %6d\n',L_f); fprintf(' Ma tran sinh: \n'); for i = 1:n for j = 1:K fprintf( '%6d', g(i,j)); end fprintf('\n'); end if kt_xoa==0 fprintf(' Dung ky thuat xoa, code rate = 1/2 \n'); else fprintf(' Khong dung ky thuat xoa, code rate = 1/3 \n'); end fprintf(' So lan lap = %6d\n', lan_lap); fprintf(' Khung loi ket thuc = %6d\n', ket_thuc); fprintf(' Eb / N0 (dB) = '); for i = 1:length(EbN0db) fprintf('%10.2f',EbN0db(i)); end fprintf('\n \n\n'); 91 fprintf('+ + + + + + + + + CHUONG TRINH DANG CHAY VA CHO RA KET QUA!.+ + + + + + + + +\n'); for nEN = 1:length(EbN0db) en = 10^(EbN0db(nEN)/10); / chuyen doi tu don vi dB sang so thuong/ L_c = 4*a*en*rate; sigma = 1/sqrt(2*rate*en); errs(nEN,1:lan_lap) = zeros(1,lan_lap); nferr(nEN,1:lan_lap) = zeros(1,lan_lap); nframe = 0; while nferr(nEN, lan_lap)0 nferr(nEN,iter) = nferr(nEN,iter)+1; end end errs(nEN,1:lan_lap) = errs(nEN,1:lan_lap) + err(1:lan_lap); if rem(nframe,3)==0 | nferr(nEN, lan_lap)==ket_thuc ber(nEN,1:lan_lap) = errs(nEN,1:lan_lap)/nframe/(L_f-m); fer(nEN,1:lan_lap) = nferr(nEN,1:lan_lap)/nframe; fprintf('***************************** Eb/N0 ********************************\n', EbN0db(nEN)); = %5.2f db fprintf('Kich thuoc khung = %d, rate 1/%d \n', L_f, 2+kt_xoa); fprintf('%d Khung da trao doi , %d Khung bi loi.\n', nframe, nferr(nEN, lan_lap)); fprintf('Toc loi bit (Tu lan lap cho den %d):\n', lan_lap); for i=1:lan_lap fprintf('%8.4e ', ber(nEN,i)); 93 end fprintf('\n'); fprintf('Toc loi khung (Tu lan lap cho den %d):\n', lan_lap); for i=1:lan_lap fprintf('%8.4e ', fer(nEN,i)); end fprintf('\n'); fprintf('************************************************************* ******************\n\n'); save Chuong_trinh_chinh EbN0db ber fer end end end diary off 2.Thuật toán SOVA function L_all = sova(rec_s, g, L_a, ind_dec) L_f = length(L_a); [n,K] = size(g); m = K - 1; ns = 2^m; Infty = 1e10; delta = 30; [next_out, next_state, last_out, last_state] = so_do_trellis(g); for t=1:L_f+1 94 for state=1:ns path_metric(state,t) = -Infty; end end path_metric(1,1) = 0; for t=1:L_f y = rec_s(2*t-1:2*t); for state=1:ns sym0 = last_out(state,1:2); sym1 = last_out(state,3:4); state0 = last_state(state,1); state1 = last_state(state,2); Mk0 = y*sym0' - L_a(t)/2 + path_metric(state0,t); Mk1 = y*sym1' + L_a(t)/2 + path_metric(state1,t); if Mk0>Mk1 path_metric(state,t+1)=Mk0; Mdiff(state,t+1) = Mk0 - Mk1; prev_bit(state, t+1) = 0; else path_metric(state,t+1)=Mk1; Mdiff(state,t+1) = Mk1 - Mk0; prev_bit(state,t+1) = 1; end end end 95 if ind_dec == mlstate(L_f+1) = 1; else mlstate(L_f+1) = find( path_metric(:,L_f+1)==max(path_metric(:,L_f+1)) ); end for t=L_f:-1:1 est(t) = prev_bit(mlstate(t+1),t+1); mlstate(t) = last_state(mlstate(t+1), est(t)+1); end for t=1:L_f llr = Infty; for i=0:delta if t+i