Nghiên cứu hiệu năng mã Turbo qua kênh fading Rayleigh

Mã turbo ra đời từ những năm đầu của thập niên 90 của thế kỷ 20, và được xem là một trong những mã kênh mạnh, tiếp cận đến dung lượng Shannon và được ứng dụng nhiều trong các hệ thống truyền thống thực tế. Mã hóa Turbo là một kỹ thuật mã hóa mạnh có khả năng chống lỗi cao và những ưu điểm này sẽ càng được phát huy ở các mạng băng rộng, nhưng một kỹ thuật mã hóa có mạnh thế nào cũng cần có sự xem xét, đánh giá khả năng của nó trong từng môi trường khác nhau từ đó nhằm tối ưu kỹ thuật cho từng loại môi trường kênh khác nhau để đáp ứng những nhu cầu về băng thông và sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên số. Chương 1: Tổng quan về các mô hình kênh: trình bày một cách tổng quan về các mô hình kênh, xem xét nghiên cứu mô hình kênh . Chương 2: Tổng quan về mã Turbo: Trong phần này nội dung chính nói về cấu trúc bộ mã hóa và giải mã Turbo, trình bày về thuật toán giải mã Log - MAP trong giải mã Turbo. Chương 3: Đánh giá hiệu năng mã Turbo trong kênh fading phẳng Rayleigh: Phần này trình bày về các tham số và kết quả đánh giá hiệu năng khi sử dụng mã hóa Turbo để mã hóa tín hiệu truyền trong môi trường fading phẳng Rayleigh. Ngoài ra trong chương này còn đánh giá hiệu năng sửa lỗi của mã Turbo cho thông tin vệ tinh

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: “NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG MÃ TURBO QUA KÊNH FADING RAYLEIGH” Người hướng dẫn : Th.S NGUYỄN THU HIÊN Sinh viên thực : ĐẶNG VĂN ĐẠT Lớp : D11VT3 Khóa : 2011 – 2016 Hệ : CHÍNH QUY Hà Nội, tháng 12 năm 2015 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Đồ án tốt nghiệp đại học sinh viên Đặng Văn Đạt nghiên cứu “Nghiên cứu hiệu mã turbo qua kênh fading Rayleigh” trình bày ba chương với bố cục logic, khoa học Trong đó: chương giới thiệu tổng quan mơ hình kênh, chương vào nghiên cứu mã turbo chương hiệu mã turbo qua kênh fading Rayleigh Mã Turbo mã kênh cho chất lượng dần đến giới hạn Shannon Đặc biệt với giải mã lặp cho phép cải thiện hiệu BER Nghiên cứu mã Turbo đánh giá hiệu mã turbo qua kênh fading Rayleigh theo phương pháp mơ Monte-Carlo ln mảng nghiên cứu khó có ý nghĩa khoa học Trong q trình làm đồ án, sinh viên Đạt ln chủ động tích cực cơng việc, có phương pháp làm việc khoa học Điều giúp sinh viên vững vàng tự tin cơng việc sau Đồ án đáp ứng tốt yêu cầu đồ án tốt nghiệp Đại học Đánh giá đồ án đạt loại tốt Đề nghị hội đồng chấm bảo vệ tốt nghiệp cho phép sinh viên Đạt bảo vệ trước hội đồng Điểm: 10 (Mười) Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2015 Giáo viên hướng dẫn ThS: Nguyễn Thu Hiên NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Điểm: …………………………… (bằng chữ: ………………… ) ………………………………………………………………………………………… Hà Nội, ngày … tháng 12 năm 2015 GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN (Ký, họ tên) Đồ án tốt nghiệp đại học Lời cảm ơn LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn khoa viễn thông I - Học viện cơng nghệ bưu viễn thơng tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em học tập thực đồ án tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô ThS.Nguyễn Thu Hiên, người tận tình huớng dẫn bảo em suốt trình thực đồ án tốt nghiệp Em kính chúc ln mạnh khoẻ để giảng dạy nhiều hệ sinh viên Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo khoa viễn thơng I tận tình giảng dạy, trang bị cho chúng em kiến thức quý báu suốt năm học Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thông Xin cảm ơn quan tâm, giúp đỡ ủng hộ gia đình, bạn bè giúp đỡ em suốt trình thực đồ án Mặc dù em cố gắng để hoàn thành đồ án tốt nghiệp, chắn khơng tránh khỏi thiếu sót kiến thức, kinh nghiệm thực tế Em mong nhận thơng cảm, góp ý tận tình bảo thầy cô bạn để đồ án em hoàn thiện Hà Nội, ngày 10 tháng 12 Năm 2015 Sinh viên Đặng Văn Đạt Đặng Văn Đạt – D11VT3 i Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .i MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH VẼ .iv THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi LỜI NÓI ĐẦU vi CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH KÊNH 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các mơ hình kênh truyền thơng 1.2.1 Kênh hữu tuyến, ống dẫn sóng 1.2.2 Kênh vô tuyến 1.2.3 Kênh tầng đối lưu .5 1.2.4 Kênh fadinh đa đường 1.2.5 Kênh rời rạc 15 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MÃ TURBO .26 2.1 Ghép nối mã đời mã Turbo .26 2.2 Bộ mã tích chập hệ thống đệ quy RSC .27 2.2.1 Mã tích chập hệ thống không hệ thống 27 2.2.2 Mã tích chập đệ quy không đệ quy 27 2.3 Mã hóa turbo 28 2.3.1 Bộ mã hóa turbo .28 2.3.2 Mã móc nối .29 2.3.3 Bộ ghép xen (interleaver) .31 2.3.4 Kỹ thuật punturing 32 2.3.5 Bộ kết thúc 33 2.4 Giải mã Turbo 33 2.5 Giải thuật MAP giải mã lặp mã Turbo 35 Đặng Văn Đạt – D11VT3 ii Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục 2.5.1 Xác suất ước tính .35 2.5.2 Tỷ số hợp lệ theo logarit – LLR 36 2.5.3 Thuật toán MAP .39 2.5.4 Nguyên lý giải mã lặp dựa thuật toán MAP cải tiến .48 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÃ TURBO QUA KÊNH FADING RAYLEIGH 52 3.1 Kênh fading phẳng .52 3.2 Phân bố Rayleigh 54 3.3 Khảo sát hiệu mã Turbo kênh fading Rayleigh 55 3.5 Đề xuất ứng dụng mã Turbo vào hệ thống thông tin vệ tinh .61 3.5.1 Suy hao không gian tự 62 3.5.2 Mã Turbo thông tin vệ tinh 62 KẾT LUẬN 65 PHỤ LỤC 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 Đặng Văn Đạt – D11VT3 iii Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Đường truyền sóng vơ tuyến mơi trường Hình 1.2 Minh họa kênh fading đa đường .7 Hình 1.3 Minh họa đáp ứng xung kim kênh lý lịch trễ đa đường Hình 1.4 Hình minh họa cho fading phẳng Rice 12 Hình 1.5 Minh hoạ fading đa đường Rice fading chọn lọc tần số 13 Hình 1.6 Minh hoạ fading đa đường Rayleigh fading chọn lọc tần số 14 Hình 1.7: Hệ thống truyền thơng với mơ hình kênh rời rạc 16 Hình 1.8: Mức tín hiệu vào máy thu Hình 1.9: Mơ hình giả định mơ hình hai trạng thái Markov hai trạng thái 18 Hình 1.10: Quá trình hội tụ phân bố xác suất trạng thái đến giá trị trạng thái bền 20 Hình 1.11: Mơ hình Fritchman có ba trạng thái tốt trạng thái xấu 22 Hình 2.1 Kiểu kết nối mã nối tiếp 26 Hình 2.2 kiểu kết nối mã song song .26 Hình 2.3 Bộ mã hóa tích chập hệ thống 27 Hình 2.5 Bộ mã tích chập hệ thống đệ quy 28 Hình 2.6 Bộ mã hóa RSC với r = 1/2 k = 28 Hình 2.7 Bộ mã hóa PCCC tổng quát 29 Hình 2.8 Mã PCCC tốc độ r =1/3 gồm mã hóa chập hệ thống đệ quy 29 Hình 2.9 Mã móc nối nối tiếp .30 Hình 2.10 Sơ đồ mã móc nối song song 31 Hình 2.11 Bộ ghép xen làm tăng trọng số mã mã hóa RSC2 so với RSC1 31 Hình 2.12 Chuỗi đầu vào đầu ghép xen 32 Hình 2.13 Sơ đồ giải mã Turbo 34 Hình 2.14 Tổng quan thuật toán giải mã .35 Hình 2.15 LLR L(uk) với xác suất uk = +1 37 Hình 2.16 Bộ mã xoắn hồi quy hệ thống – RSC với K =3 41 Hình 2.17 Các chuyển đổi trạng thái có mã RSC thành phần K=3 41 Hình 2.18 Lưới giải mã MAP cho mã RSC với K=3 .42 Hình 2.19 Lược đồ tính tốn giá trị thuật tốn MAP 43 Hình 2.20 Tính tốn giá trị hồi quy αk (0) βk (0) cho mã hóa RSC với K=3 45 Đặng Văn Đạt – D11VT3 iv Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ Hình 2.21 Bộ giải mã lặp Log-MAP 48 Hình 3.1 Mơ hình kênh fading phẳng Rayleigh mô .53 Hình 3.2 Phân bố Rice với giá trị A={0,1,2,3,5}và σ =1 54 Hình 3.3 Sơ đồ mô 55 Hình 3.4 Tín hiệu qua kênh fading Rayleigh sử dụng giải Turbo, giải mã viterbi khơng sử dụng mã hóa sửa lỗi 57 Hình 3.5 Kết BER sử dụng vòng lặp 58 Hình 3.6 Kết BER sử dụng 18 vòng lặp 59 Hình 3.7 Hiệu xác suất lỗi mã Turbo qua kênh khác 60 Hình 3.8 Hiệu xác suất lỗi mã Turbo tốc độ khác 60 Hình 3.9 Hiệu xác suất lỗi mã Turbo hệ số K khác 61 Hình 3.10 Mô tả hệ thống thông tin vệ tinh 63 Hình 3.11 Sơ đồ mô hệ thống thông tin sử dụng mã Turbo thông tin vệ tinh 63 Hình 3.12 Đánh giá hiệu mã Turbo thơng tin vệ tinh .64 Đặng Văn Đạt – D11VT3 v Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ viết tắt AGC AWGN BER BPSK CCSDS DVB-DSNG DVB-RCS DVB-S FEC FIR Tiếng Anh Automatic Gain Control Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Binary Phase Shift Keying Consultative Committee for Space Data Systems Digital Video Broadcasting Digital Satellite News Gathering Digital Video Broadcasting Return Channel via Satellite Digital Video Broadcasting Satellite Forward Error Correction Finite Impulse Response HF HCCC High Frequency IIR Infinite Impulse Response ISI Intersymbol Interference INMARSAT INMARSAT INTELSAT LLR Log-MAP International Telecommunications Satellite Log Likelihood Ratio Logarit Maximum A Posteriori LOS MAP Ligh of sign Maximum A Posteriori NLOS Non ligh of sign NRZ PCCC Non-return-to-zero Parallel convolution codes connect PEP Pairwise Error Probability Đặng Văn Đạt – D11VT3 Tiếng Việt Tự động điều khiển độ lợi Nhiễu Gauss trắng cộng Tỷ số tín hiệu nhiễu Khóa dịch pha nhị phân Ủy ban tư vấn cho liệu khơng gian Truyền hình số cho thơng tin vệ tinh Sửa lỗi trước Bộ lọc đáp ứng xung kim hữu hạn Tần số cao tần Kết nối hỗn hợp mã tích chập Bộ lọc đáp ứng xung kim vô hạn Xuyên nhiễu ký hiệu Công ty viễn thông Anh Vệ tinh viễn thông quốc tế Tỷ số hợp lệ theo logarit Cực đại xác suất hậu nghiệm theo cận logarit Có đường truyền thẳng Cực đại xác suất hậu nghiệm Khơng có đường truyền thẳng Kết nối song song mã tích chập Xác suất lỗi cặp vi Đồ án tốt nghiệp đại học QPSK Quadrature phase-shift keying RF RSC Radio Frequency Recursive System Convolution SCCC Serial convolution codes connect SISO Soft Input Soft Output TC TDL Turbo code Time duplex Line UHF VHF Ultra High Frequency Very High Frequency Đặng Văn Đạt – D11VT3 Thuật ngữ viết tắt Điều chế biên độ cầu phương Sóng vơ tuyến Bộ mã tích chập hệ thống đệ quy Kết nối nối tiếp mã tích chập Bộ giải mã đầu vào mềm đầu mềm Mã hóa Turbo Mơ hình đường trễ rẽ nhánh Tần số siêu cao Tần số cao vii Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Đánh giá hiệu Một biến ngẫu nhiên α có phân bố rice đươc tạo cách kết hợp hai giá trị ngẫu nhiên x1 x2, với phân tán (dispersion ) σ2 giống nhau, có giá trị phương sai rỗng   x12  x22 (3.9) Khảo sát hiệu mã Turbo kênh fading Rayleigh Mã hóa Turbo tơi sử dụng việc mô phỏng, đánh giá hiệu trình bày sơ đồ sau đây: 3.3 Mã hóa Turbo Tạo liệu Đếm lỗi hiển thị kết mô Lỗi Điều chế BPSK Rayleigh … Rice So sánh AWGN Đầu Giải mã Log-MAP Giải Điều chế BPSK Hình 3.3 Sơ đồ mơ Các giải mã thành phần sử dụng thuật toán giải mã lặp Log-MAP Để giải mã chuỗi tín hiệu thu truyền qua môi trường kênh fading phẳng (với mối quan hệ đầu vào đầu tuân theo công thức 3.1 giải thuật Log-MAP phải đáp ứng hệ số tin cậy LC tính cơng thức: LC=4.R.B  (3.10) Với B giá trị tuyệt đối SNR, R tốc độ mã hóa mã turbo  giá trị trung bình biến ngẫu nhiên α Nếu A=0 ,  = 3.4  =0,8862 Kết Để đánh giá hiệu hệ thống truyền thông qua kênh fading, thực qua mơ Monte-Carlo qua phân tích lý thuyết Với phân tích lý thuyết, hiệu hệ thống truyền thông sử dụng mã turbo thường xem xét qua biểu thức giải tích xác suất lỗi trung bình Trong xác suất lỗi cặp đặc tính mã sửa lỗi khối thành phần quan trọng việc có thống cận trung bình Đặng Văn Đạt – D11VT3 55 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Đánh giá hiệu Các xác suất lỗi cặp có điều kiện, thể xác suất giải mã từ mã c0 thành từ mã cj, khác c0 d vị trí bít với vector fading viết sau:  Es d  P(c0 , c j | a)  Q  ak   N k    (3.11) Với Es/N0 tỷ số lượng ký hiệu nhiễu Q(.) hàm Gaussian định nghĩa sau:  t ( ) Q(x)  e dt  2 x (3.12) Ta biến đổi thành Q(x)    /2  ( e x2 2sin  ) d , x  (3.13) Để đơn giản đánh giá xác suất lỗi cặp tín hiệu mơi trường kênh fading ta xét xác suất lỗi cặp dạng tích phân xác định Giá trị xác suất lỗi cặp thu cách lấy giá trị kỳ vọng xác suất lỗi cặp có điều kiện qua kênh fading Rayleigh    Es P(d)  E Q      N0   a    k 1   d k (3.14) Sử dụng biến đổi hàm Q công thức (3.13) ta có: P(d)     /2    e a1 d  E /N a2   s k 1 k    sin      d pa1 pad da1 dad (3.15) ad Giả sử thay giá trị pdf Rayleigh, cơng thức (3.15) trở thành: P(d)  d Es / N0    )  da    a (1 sin   ae   d    /2    (3.16) Nếu đặt biến u = a2 cơng thức (3.16) trở thành: P(d)    d  u (1 Es / N2 ) du  sin    e  d    /2  (3.17) Sau thực tích phân ta có: Đặng Văn Đạt – D11VT3 56 Đồ án tốt nghiệp đại học P(d)  Chương Đánh giá hiệu   /2  d   sin    d E / N  sin   s  Với (3.18) Es E  b log M ta có N0 N0   /2  sin  P(d)      Eb log M  sin  N  d    d    (3.19) Hình 3.4 Tín hiệu qua kênh fading Rayleigh sử dụng giải Turbo, giải mã viterbi khơng sử dụng mã hóa sửa lỗi Kết mô đánh giá hiệu hệ thống truyền thông sử dụng mã turbo phương pháp chạy mơ phân tích lý thuyết thể Hình 3.4 Trong đó, tham số mơ sử dụng là: mã RSC có tốc độ mã 1/3, điều chế BPSK, số lần lặp 18 Sử dụng kênh truyền dẫn kênh fading phẳng rayleigh nói phần trước Ban đầu, sử dụng giá trị cho giá trị trung bình ngẫu nhiên α để tính LC Đặng Văn Đạt – D11VT3 57 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Đánh giá hiệu Hiệu hệ thống sử dụng đa thức: G1   x  x , G2   x , số vòng lặp= 2, Eb/N0 = [0,3] (dB) thể Hình 3.5 Hình 3.5 Kết BER sử dụng vòng lặp Qua nhận thấy tỉ số Eb/N0 tăng BER nhỏ, số vòng lặp tăng hiệu cải thiện Cụ thể Eb/N0=2 (số vòng lặp =1) BER= 101,6 , số vòng lặp = BER= 102,3 ; Eb/N0 =3 số vòng lặp = BER= 102,4 , vòng lặp = BER= 104,2 Đặng Văn Đạt – D11VT3 58 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Đánh giá hiệu Hình 3.6 Kết BER sử dụng 18 vòng lặp Kết hiệu hệ thống với số lần lặp khác thể Hình 3.6 minh chứng rõ tăng số vòng lặp lên tỉ số Eb/N0 tăng khả sửa lỗi tốt Cụ thể Eb/N0 =0,5 số vòng lặp = BER= 101 , vòng lặp = BER= 101,1 , vòng lặp = BER= 101,2 , vòng lặp = 4,5,6…17,18 BER  101,3 ; Eb/N0 =1 số vòng lặp = BER= 101,1 , vòng lặp = BER= 101,3 , vòng lặp = BER= 101,4 , vòng lặp = BER= 101,5 , vòng lặp = BER= 101,6 , vòng lặp = BER = 101.65 , vòng lặp = 7,8…17,18 BER  101,7 Khi số vòng lặp từ 7,8…17,18 hiệu khơng thay đổi nhiều Khi sử dụng chung tham số: K=5, tốc độ mã hóa r=1/3, dùng phương thức điều chế tín hiệu BPSK, Eb/N0 khoảng giá trị từ [0, 5] cho tín hiệu điều chế qua mơi trường truyền dẫn khác ta thu kết hình 3.7 Kết hiệu hệ thống với điều kiện kênh khác thể Hình 3.7 minh chứng rõ thay đổi điều kiện kênh khác khả sửa lỗi khác nhau, tỉ số Eb/N0 tăng BER nhỏ Ta thấy sử dụng chung tham số kỹ thuật điều chế, tốc độ mã hóa hệ số K đủ nhỏ hiệu sửa lỗi mã Turbo kênh fading Rayleigh Rice tương đương Đặng Văn Đạt – D11VT3 59 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Đánh giá hiệu Hình 3.7 Hiệu xác suất lỗi mã Turbo qua kênh khác Hình 3.8 Hiệu xác suất lỗi mã Turbo tốc độ khác Khi sử dụng kênh fading Rayleigh với tham số K=5, dùng phương thức điều chế tín hiệu BPSK, Eb/N0 khoảng giá trị từ [0, 5] cho tín hiệu tốc Đặng Văn Đạt – D11VT3 60 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Đánh giá hiệu độ mã hóa khác khác ta thu kết hình 3.8 Và hình 3.9 kết truyền qua kênh fading Rayleigh sử dụng chung tham số: tốc độ mã hóa r=1/3, dùng phương thức điều chế tín hiệu BPSK, Eb/N0 khoảng giá trị từ [0, 5], thay đổi hệ số K khác Từ hình 3.8 ta nhận thấy điều giảm r đi, nghĩa chèn thêm bít sửa lỗi khả sửa lỗi mã Turbo tăng tỉ số Eb/N0 tăng BER nhỏ Cụ thể Eb/N0 = r=1/3 BER=10-1,7, r=1/2 BER=10-1,4, r=2/3 BER=10-1 Tại Eb/N0 = r=1/3 BER=10-4,5, r=1/2 BER=10-2,2, r=2/3 BER=10-1,45 Ta thấy hệ số K thay đổi khả sửa lỗi mã Turbo thay đổi Hiệu sửa lỗi mã Turbo giá trị hệ số K nhỏ tương đương nhau, giá trị hệ số K tăng lên tỉ số Eb/N0 tăng hiệu sửa lỗi mã Turbo tăng lên Cụ thể kết mơ Hình 3.9, Eb/N0 = K=5 BER=10-2,2, K=2 K=3 cho BER=10-2 Tại Eb/N0 = 2,5 K=5 BER=10-4, K=2 K=3 cho kết BER=10-3,2 Hình 3.9 Hiệu xác suất lỗi mã Turbo hệ số K khác Đề xuất ứng dụng mã Turbo vào hệ thống thông tin vệ tinh Thông tin vệ tinh đã trở thành phương tiên thơng tin phổ biến đa dạng Nó thể từ chảo anten truyền hình gia đình hệ thống thơng tin tồn 3.5 Đặng Văn Đạt – D11VT3 61 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Đánh giá hiệu cầu truyền khối lượng số liệu lưu lượng thoại lớn với chương trình truyền hình Vì vệ tinh phủ sóng cho vùng rộng lớn trến trái đất, nên phát đáp vệ tinh cho phép nối mạng nhiều trạm mặt đất từ vùng địa lý cách xa trái đất Các vệ tinh đảm bảo đường truyền thông tin cho cho vùng dân cư xa xôi hẻo lánh mà phương tiện thơng tin khác khó đạt đến Đến nhiều hệ thống thông tin vệ tinh thiết lập với quỹ đạo vệ tinh khác nhau, có vệ tinh Molnya Liên xơ cũ sử dụng quỹ đạo elip, vệ tinh lại sử dụng quỹ đạo tròn Hiện khơng có hệ thống thơng tin vệ tinh cho đối tượng cố định mà hệ thống thông tin vệ tinh di động thiết lập đưa vào khai thác Việt Nam bước nghiên cứu phát triển vệ tinh riêng mình, có vệ tinh vũ trụ 3.5.1 Suy hao không gian tự Một mục tiêu thiết kế hệ thống truyền thơng vệ tinh phải đảm bảo mức chất lượng dịch vụ theo yêu cầu người dùng Do điểm quan trọng việc thiết kế chất lượng kênh truyền Chất lượng kênh truyền đảm bảo hiểu rõ đặc tính kênh, hiểu rõ yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu truyền qua kênh Vì mơi trường truyền lan vệ tinh vơ tuyến, việc truyền lan khơng bị che chắn bị cản (nguồn đẳng hướng), suy hao không gian tự do, LF xác định bởi: LF (dB)  32,  20log rkm  20log f MH (3.20) Với r khoảng cách anten (km), f tần số hoạt động (MHz) 3.5.2 Mã Turbo thông tin vệ tinh Các nhà sản suất thiết bị khai thác vệ tinh sớm nhận sử dụng phương án sửa lỗi FEC làm giảm nhu cầu lượng cho hoạt động truyền phát tín hiệu vệ tinh với hiệu suất BER chấp nhận được.Các hệ thống truyền dẫn vệ tinh số cài đặt năm 1970 sử dụng giải mã Viterbi đơn giản để thực chức FEC Kỹ thuật sử dụng rộng rãi hệ thống thông tin vệ tinh truyền phát quảng bá dựa mã hóa Reed-Solomon mã hóa Viterbi giới thiệu từ đầu năm 80 Kỹ thuật lần chấp nhận tiêu chuẩn CCSDS cho nhiệm vụ ruyền sóng khơng gian xa sau với số sửa đổi tiêu chuẩn FEC cho INTELSAT, DVB-S hệ thống DVB-DSNG Phần lớn hệ thống thương mại sử dụng lược đồ mã hóa nối Kể từ đời mã turbo chấp nhận số quan tiêu chuẩn hóa FEC cho hệ thống hệ Chúng bao gồm DVB-RCS, INMARSAT, CCSDS… Đặng Văn Đạt – D11VT3 62 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Đánh giá hiệu 64/128/256 Kbps 2Mbps 64/128/256 Kbps Mạng lõi Mạng lõi Mạng lõi Hình 3.10 Mô tả hệ thống thông tin vệ tinh Mã hóa Turbo Tạo liệu Đếm lỗi hiển thị kết mô Lỗi Điều chế BPSK Rayleigh … Rice So sánh L(f) Đầu Giải mã Log-MAP AWGN Giải Điều chế BPSK Hình 3.11 Sơ đồ mơ hệ thống thông tin sử dụng mã Turbo thông tin vệ tinh Đặng Văn Đạt – D11VT3 63 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Đánh giá hiệu Hình 3.12 Đánh giá hiệu mã Turbo thông tin vệ tinh Qua kết mô nhận thấy tỉ số Eb/N0 tăng BER nhỏ khả sửa lỗi mã Turbo điều kiện kênh truyền khác khác Cụ thể hình 3.12 hiệu mã Turbo kênh truyền mặt đất có BER nhỏ kênh truyền vệ tinh kênh vệ tinh chịu ảnh hưởng suy hao không gian tự Khi Eb/N0 = BER thơng tin mặt đất 10-1,27 BER BER thơng tin vệ tinh 10-0,96 Đặng Văn Đạt – D11VT3 64 Đồ án tốt nghiệp đại học Kết luận KẾT LUẬN Như đồ án đánh giá hiệu mã Turbo qua kênh fading Rayleigh tập trung trình bày nội dung chính: - Các mơ hình kênh điển hình hệ thống truyền thơng Mã Turbo Đánh giá hiệu sửa lỗi mã Turbo thông qua sử dụng thuật toán giải mã Log- Map Mã Turbo phương pháp mã hóa sửa sai hiệu gồm hai mã chập song song mã hóa, chúng phân tách chèn bít giả ngẫu nhiên Bộ giải mã Turbo bao gồm hai giải mã nối tiếp với chèn với đường hồi tiếp từ ngõ mã thứ đến gõ vào giải mã thứ Có thuật tốn giải mã MAP ngồi có giải mã Log - MAP logarit Log - MAP mở rộng Khi đánh giá hiệu ta thấy để hiệu sửa lỗi mã Turbo tốt mơi trường fading Rayleigh ta sử đồng thời giá trị K, Eb/N0, số vòng lặp lớn tốt tốc độ mã hóa nhỏ tốt theo nhà nghiên cứu tốc độ mã hóa nhỏ sử dụng nên dừng lại khoảng 1/6 Thuật tốn Log-MAP có độ tính tốn phức tạp nhiên lại cho hiệu tốt không sử dụng mã kênh sử dụng mã xoắn thông thường kết hợp với giải mã lặp giải mã Turbo Giải mã lặp dựa thuật toán Log-MAP cho phép giải mã hiệu mã Turbo, đạt hiệu gần với giới hạn lý thuyết Shannon Đặng Văn Đạt – D11VT3 65 Đồ án tốt nghiệp đại học Phụ lục PHỤ LỤC Main turbo code: % Main script % Giai ma su dung thuat toan Log-MAP cho Turbo Codes % Dang Van Dat - D11VT3 % clear all; close all; L_total = 1e5; N_f = 100; a=1; %a=[0:0.5:1] kenh Rice co a nam khoang (0:1), kenh Rayleigh co a=0;% % Da thuc tao ma g = input('Ma tran tao ma RSC: ( default: g = [1 1; 1 ] ) '); if isempty(g) g = [ 1 1; 1 ]; % Da thuc sinh don gian g = (07, 05) end %g = [1 1; 1 1]; % Da thuc sinh g = (15, 17) %g = [1 1 1; 0 1]; % Da thuc sinh g = (37,21) [n,K] = size(g); % Xac dinh constraint length m = K - 1; nstates = 2^m; % So trang thai %Xac dinh kieu trich %puncture = 0: trich %puncture = 1: khong puncture = input('Co if isempty(puncture) puncture = 0; end (puncturing) voi ti le 1/2, default; trich trich (0) hay khong (1) : '); % Ti le ma rate = 1/(2+puncture); % Cac vong lap can xac dinh chi tieu n_iter = input('So vong lap can xac dinh (default = [1 5]): if isempty(n_iter) n_iter = [1 5]; end '); niter = max(n_iter); % So cac khung loi de dung mo phong % Nhap Eb/N0 [dB] cua kenh AWGN, default = 2.0 EbN0db = input('Eb/N0 (dB): (default = 2.0) '); if isempty(EbN0db) EbN0db = [2.0]; end % Hien thi lai thong tin da nhap ve bo ma hoa/giai ma turbo fprintf('\n\n \n'); fprintf('=== Log-MAP decoder === \n\n'); fprintf('So luong bit = %6d\n',L_total); fprintf('Ma tran tao ma: \n'); for i = 1:n for j = 1:K fprintf('%6d', g(i,j)); end Đặng Văn Đạt – D11VT3 66 Đồ án tốt nghiệp đại học Phụ lục fprintf('\n'); end if puncture==0 fprintf('Ma trich, ti le = 1/2 \n'); else fprintf('Khong dung ma trich, ti le = 1/3 \n'); end fprintf('So vong lap = %6d\n', niter); fprintf('So bit loi can dem = %6d\n', N_f); fprintf('Eb / N0 (dB) = '); for i = 1:length(EbN0db) fprintf('%10.2f',EbN0db(i)); end fprintf('\n \n\n'); fprintf('=== Cho doi may tinh tinh toan ===\n'); for nEN = 1:length(EbN0db) en = 10^(EbN0db(nEN)/10); % chuyen tu dB sang so thuong L_c = 4*en*rate; % tin cay cua kenh sigma = 1*a/sqrt(2*rate*en); % lech chuan tap am AWGN %sigma = 1*a/sqrt(2*rate*en);% lech chuan fading Rice va fading Rayleigh % Xoa bo dem loi bit errs(nEN,1:niter) = zeros(1,niter); nferr(nEN,1:niter) = zeros(1,niter); nframe = 0; while errs(nEN, niter)0 nferr(nEN,iter) = nferr(nEN,iter)+1; end end %iter % tong so bit loi tat ca cac vong lap errs(nEN,1:niter) = errs(nEN,1:niter) + err(1:niter); % % % if rem(nframe,3)==0 | nferr(nEN, niter)==N_f % BER ber(nEN,1:niter) = errs(nEN,1:niter)/nframe/(L_total-m); % FER fer(nEN,1:niter) = nferr(nEN,1:niter)/nframe; % Hien thi thong tin dang xu li fprintf('************** Eb/N0 = %5.2f db **************\n', EbN0db(nEN)); fprintf('So luong bit = %d, ti le ma 1/%d \n', L_total, 2+puncture); fprintf('%d bit da phat, %d bit loi.\n', nframe, errs(nEN, niter)); fprintf('BER (tu vong lap den vong lap %d):\n', niter); for i=1:niter fprintf('%8.4e ', ber(nEN,i)); end fprintf('\n'); fprintf('***********************************************\n\n'); % Save intermediate results % save main_turbo EbN0db ber end end %while % end %nEN % Ve thi ham BER figure(1) for i_iter = n_iter % sgn_plot = input('Lengend (+ - * o x) : '); % semilogy(EbN0db,ber(:,i_iter),sgn_plot); semilogy(EbN0db,ber(:,i_iter)); hold on end grid on xlabel('E_b/N_0 [dB]'); ylabel('BER') Đặng Văn Đạt – D11VT3 68 Đồ án tốt nghiệp đại học Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Nguyễn Viết Đảm, “Mô hệ thống viễn thơng MATLAB”, Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thụng, NXB Bu in, Hà Nội, tháng năm 2007 [2] PGS.Ts Nguyễn Bình, “Lý thuyết thơng tin”, Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng, NXB Bưu Điện, Hµ Nội, năm 2006 Ting Anh: [1] C.Berrou, A.Glavieux, and P.Thitimajshima, “Near Shannon Limit ErrorCorrecting Coding and Decoding:Turbo Codes,” Proceeding of IEEE ICC 93, pp 1064-1070 [2] Mark R Shane, Richard D Wesel, Parallel Concatenated Turbo Codes for Continuous Phase Modulation [3] Hamid R Sadjadpour, Maximum A Posteriori Decoding Algorithms For Turbo Codes, AT&T research-Shannon Labs,Florham Park, NJ [4] John G Proakis, Digital Communications, McGraw-Hill Series in Electrical and Computer Engineering Stephen W., 2001 [5] M Kovaci, H G Balta, and M M Nafornita, “The performances of interleavers used in turbo-codes”, International Symposium on Signals, Circuits and Systems, 2005 ISSCS 2005, Volume 1, July 14-15, 2005 pp.363 – 366 [6] Maria Kovaci, Horia Balta, Miranda Nafornita, On Using Turbo Codes Over Rice Flat Fading Channels, Department of Communications, University “Politehnica”of Timisoara, Faculty of Electronics and Telecommunications, Timisoara, Romania [7] Upamanyu Madhow, Fundamentals of Digital Communication-Cambridge University Press (2008) Đặng Văn Đạt – D11VT3 69 ... chương hiệu mã turbo qua kênh fading Rayleigh Mã Turbo mã kênh cho chất lượng dần đến giới hạn Shannon Đặc biệt với giải mã lặp cho phép cải thiện hiệu BER Nghiên cứu mã Turbo đánh giá hiệu mã turbo. .. Đạt nghiên cứu Nghiên cứu hiệu mã turbo qua kênh fading Rayleigh trình bày ba chương với bố cục logic, khoa học Trong đó: chương giới thiệu tổng quan mơ hình kênh, chương vào nghiên cứu mã turbo. .. hình kênh Chương 2: Tổng quan mã Turbo: Trong phần nội dung nói cấu trúc mã hóa giải mã Turbo, trình bày thuật toán giải mã Log - MAP giải mã Turbo Chương 3: Đánh giá hiệu mã Turbo kênh fading