Bài viết tập trung phân tích hoạt động, thiết kế và khảo sát chất lượng hệ thống OFDM sử dụng mã BICM-ID trên kênh pha đinh đa đường có chịu tác động đồng thời của tạp âm Gauss.
Nâng cao chất lượng hệ thống OFDM BICM-ID Improve the Performance of OFDM’s System by BICM-ID Đỗ Công Hùng, Đinh Thế Cường, Nguyễn Quốc Bình SNR sóng mang nhằm khai thác tối đa dung lượng hệ thống OFDM kênh pha đinh băng hẹp Đến nghiên cứu OFDM thích nghi (AOFDM) tiến hành theo hướng: điều chế đa mức băng [2]; thay đổi thích nghi tham số OFDM [1, 4]; thích nghi mã RSSC, mã turbo cho OFDM [3] Tuy nhiên, q trình thích nghi đa mức bị giới hạn ngưỡng SNR mà giải mã làm việc tốt, việc nghiên cứu thiết kế mã tốt thích hợp hệ thống OFDM điều chế đa mức điều kiện pha đinh cơng việc có ý nghĩa quan trọng Abstract: In order to improve the performance of OFDM’s system, the most promising candidate to 4G Wireless Communication system, the article analyses the performance, designs and appraises the quality of the OFDM system with BICM-ID (Bit-Interleaved Coded Modulation With Iterative Decoding), demonstrates its excess effect, comparable to that of the others with conventional convolution code as HIPERLAN II model in the condition of multi-path propagation mixed with Gauss noise Key words: OFDM-Orthogonal Frequency Division Multiplexing, AOFDM-Adaptive OFDM, BICM-ID -Bit Interleaved Coded Modulation with Iterative Decoding, MSEW-Maximum Squared Euclidean Weight Sau mã Turbo, mã BICM-ID đề xuất nghiên cứu từ năm 1990 nhóm nghiên cứu X.Li Ritcey mã tốt cho truyền dẫn kênh đa đường [13] thừa hưởng ưu điểm mã xoắn sở, tăng ích xáo trộn bít, giải mã lặp phương pháp ánh xạ tín hiệu điều chế I ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm gần đây, OFDM không ngừng nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng ưu điểm tiết kiệm băng tần khả chống lại pha đinh chọn lọc theo tần số xuyên nhiễu băng hẹp Trong thực tiễn, với trải trễ xác định, việc xây dựng hệ thống OFDM phức tạp so với hệ thống đơn sóng mang dùng san [1] Bài báo phân tích hoạt động, thiết kế khảo sát chất lượng hệ thống OFDM sử dụng mã BICM-ID kênh pha đinh đa đường có chịu tác động đồng thời tạp âm Gauss Các nội dung xếp sau: Mục II trình bày sở lý thuyết OFDM BICM-ID Mục III khảo sát chất lượng BER hệ thống OFDM với mã xoắn truyền thống điều kiện truyền dẫn pha đinh đa đường có tác động tạp âm Gauss Mục IV trình bày mơ hình kết khảo sát chất lượng BER hệ thống OFDM sử dụng mã BICM-ID thiết kế Mục V đưa kết luận cho báo Cùng với đời chíp FFT (Fast Fourier Transformers) có dung lượng lớn, gần OFDM ứng dụng rộng rãi hệ thống thông tin hệ mới, tiêu biểu hệ thống DVB-T (1995), chuẩn IEEE 802.11a, HIPERLAN II (1999), ITSI, MMAC chuẩn IEEE 802.11g (2003) ứng cử viên có triển vọng cho hệ thông tin 4G [2] Trong số điều kiện cụ thể, tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM cách làm thích nghi tốc độ liệu sóng mang tuỳ theo nhiều vào khả chống nhiễu mã sửa lỗi Vì mã sử dụng cho hệ thống OFDM liên tục nghiên cứu cải tiến Lý để thiết kế khảo sát mã BICM-ID cho hệ thống OFDM mong muốn kết hợp ưu điểm OFDM với đặc tính lỗi bít tốt BICM-ID điều kiện kênh pha đinh có đồng thời tác động tạp âm Gauss II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ OFDM & BICM-ID Cơ sở lý thuyết OFDM Xét chất, OFDM trường hợp đặc biệt phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng liệu tốc độ cao thành dòng liệu tốc độ thấp phát đồng thời số sóng mang phân bổ trực giao Phổ tín hiệu OFDM mơ tả hình Cơ sở lý thuyết BICM-ID Hình cho thấy tính trực giao, sóng mang khơng bị xun nhiễu sóng mang khác Với kỹ thuật đa sóng mang dựa FFT IFFT, ghép kênh phân chia theo tần số đạt hiệu việc lọc giải thông mà việc xử lý băng gốc Theo lý thuyết mã hố, chất lượng mã khối tăng lên nhờ việc tăng chiều dài từ mã Với mã xoắn, chất lượng giải mã liên quan đến chiều dài mã Việc tăng chiều dài ràng buộc cải thiện BER đáng kể, giá phải trả phức tạp giải mã hợp lẽ cực đại ML (Maximum-Likelihood) tăng theo hàm mũ [5] Nhờ thực biến đổi chuỗi liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên Do phân tán theo thời gian gây trải trễ truyền dẫn đa đường giảm Mặt khác, chu kỳ phòng vệ CP chèn vào symbol OFDM nên xuyên nhiễu symbol (ISI) bị loại trừ hồn tồn (hình 2) Trong khoảng phòng vệ, symbol OFDM kéo dài theo chu kỳ để tránh xuyên nhiễu sóng mang (ICI) [1] Các mã Turbo đề xuất gần giải vấn đề Trong nhiều mã xoắn có độ dài nhớ ngắn liên kết song song nối tiếp Nhờ xáo trộn ngẫu nhiên, hiệu sửa lỗi đạt không nhờ ràng buộc chuyển dịch lưới thành phần mà nhờ tác dụng giải mã lặp Do phương pháp giải mã dùng cho mã liên kết khó thực nên phương pháp giải mã lặp sử dụng xác suất hậu nghiệm cực đại MAP (Maximum A posteriori Probability) cho giải mã riêng Trong hệ thống đơn sóng mang, pha đinh xuyên nhiễu đơn có tác động tới tồn liệu truyền kênh Cũng điều kiện đó, việc truyền dẫn thực nhiều sóng mang trực giao nên phần liệu hệ thống OFDM bị Hình Phổ sóng mang OFDM tín hiệu OFDM ảnh hưởng Phần liệu sai sửa mã sửa lỗi thích hợp Vì chất lượng hệ thống OFDM phụ thuộc Hình Khoảng phòng vệ chèn vào Symbol OFDM [ ] sử dụng nhằm tiệm cận dung lượng kênh [7, 9] Với mã thành phần đơn giản, mã Turbo đạt hiệu tốt mã có chiều dài lớn symbol mã) ct = ct1 , ct2 , ct3 , u ti , cti Một giải pháp đơn giản sử dụng giải mã lặp với mã hoá liên kết, xáo trộn bít kết hợp với điều chế bậc cao Khác với mã Turbo, giải pháp sử dụng mã hố giải mã Do đó, độ phức tạp máy thu giảm đáng kể Nhìn thống qua, sơ đồ khối khơng khác nhiều với TCM (Trellis Coded Modulation) có xáo trộn symbol truyền thống đề suất Ungerboeck [10] Sơ đồ đề xuất Zehavi nhằm cải thiện chất lượng TCM kênh pha đinh Rayleigh gọi BICM [11] Tuy nhiên giá phải trả cự ly Euclid tự FED (Free-squared Euclidean Distance) giảm, dẫn đến suy giảm chất lượng truyền qua kênh Gauss không pha đinh [11,12] phân vt = vt1 , vt2 , vt3 đầu xáo trộn nhóm bit thứ i Sau xáo trộn, nhóm bít nhị [ ] với thành nhóm ánh xạ tới symbol kênh phức xt chọn từ tập tín hiệu X phép gán nhãn µ xt = µ (vt ), xt ∈ χ (1) ( ) Với tập tín hiệu 8PSK χ = e jl 2π / , l = 0, ,7 Với tách sóng tương quan (Coherent Detection), tín hiệu băng gốc rời rạc theo thời gian nhận là: y t = ρ t E s xt + z t (2) Trong ρ t hệ số pha đinh, Es lượng symbol z t nhiễu AWGN phức có mật độ phổ đơn biên N Với kênh AWGN ρ t = Với X.Li A.Chindapol chứng tỏ BICM, phương pháp làm hiệu băng thơng kênh pha đinh, có kết tốt kênh Gauss kênh pha đinh nhờ giải mã lặp ID Bộ mã gọi BICM-ID, nhằm tối đa hố lợi ích ID, với điểm mấu chốt thay đổi ánh xạ Gray tạo mã BICM Zehavi [13] kênh pha đinh Rayleigh khơng chọn lọc theo tần số ( ) ρ t phân bố Rayleigh với E ρ t2 = Ở đây, giả sử thơng tin kênh hồn hảo tức ρ t dự đoán cách đầy đủ máy thu b) Giải mã BICM truyền thống a) Bộ mã BICM truyền thống Do xáo trộn bít, giải mã BICM cần có giải mã chặng (joint) giải mã xoắn, phức tạp cho ứng dụng thực tế Zehavi đề suất phương pháp cận tối ưu sử dụng bước tách biệt: Tạo metric bít giải mã Viterbi [11] Từ tín hiệu nhận yt, sáu metric bít tạo ra, sử dụng quy luật ML Với bít nhị phân symbol 8PSK: Bộ tạo mã BICM truyền thống mơ tả hình bao gồm mã hố, xáo trộn bit điều chế không nhớ Bộ xáo trộn bít giả ngẫu nhiên có tác dụng hốn vị bít nhị phân đầu mã hoá, thay cho xáo trộn symbol truyền thống ( ) λ ( vti = b ) = log P yt vti = b ≈ log ∑ P( yt x), (3) x∈χbi i = 1, 2,3; b = 0,1 Trong Hình Sơ đồ mã hố giải mã BICM { ([ ])v tập i } tín = b Ký hiệu ≈ biểu thị thay tương đương Với 8PSK, kích thước Xét cụ thể cho điều chế 8-PSK, ký hiệu hai bít đầu vào mã hố thời điểm t [ hiệu χ = µ v , v , v i b tập χ b1 = Trong thực tế, phép tính tổng log ] (3) tính xấp xỉ u t = u t1 , u t2 bít tương ứng đầu (một log ∑ ≈ max log i i kiểm soát việc truyền lỗi Điều phải tính đến thiết kế hệ thống với việc phản hồi định mềm xáo trộn thiết kế tốt Mặc dù phức tạp so với phản hồi định cứng, phản hồi mềm mấu chốt để nhận tăng ích vốn có BICM việc giảm truyền lỗi (4) hay tra bảng cần xác Cuối ( ) cùng, log y t x thay khoảng cách Euclid bình phương y t − ρ t x Giải mã lặp sử dụng phản hồi mềm c) Sự suy giảm chất lượng BICM kênh Gauss Thành công gần mã Turbo, đề xuất Hagenauer, chứng tỏ ưu điểm giải mã lặp sơ đồ liên kết Giải mã lặp cho điều chế mã đa mức nghiên cứu Seshadri Sunderberg [15] Woerz Hagenauer sử dụng độ tin cậy kết giải mã để điều khiển phản hồi [14] Mặc dù BICM có chất lượng tốt kênh pha đinh nhờ độ lợi phân tập, điều không ngờ BICM suy giảm chất lượng kênh Gauss điều chế ngẫu nhiên gây xáo trộn bít [13] Nhờ xáo trộn bít giải mã tựa tối ưu, symbol tạo từ điểm tín hiệu vùng lân cận constellation hình Khoảng cách Euclid tự FED (Free Euclidian Distance) BICM Như hình 3, máy thu sử dụng phương pháp lặp cận tối ưu thông qua tối ưu phần riêng biệt, không tách rời giải điều chế với giải mã xoắn Xác suất hậu nghiệm cho bít mã hố tính xác định d E2 = d H d 02 [5, 9], với d H khoảng cách Hamming tự mã d khoảng ( cách Euclid nhỏ điểm tập tín hiệu ) ∑ P(x y ) ≈ ∑ P(y x )P(x ) (5) P vti = b y t ≈ điều chế Với điều chế PSK, d = E s sin (π / 8) t t t xt ∈χ bi t t xt ∈χ bi Ban đầu, giả sử xác suất tiên nghiệm P( xt ) với E S lượng symbol kênh xt Sau đó, khối SISO (Soft-Input– Nói chung, FED BICM nhỏ vài dB so với TCM tương ứng [11] Do BICM truyền thống hiệu so với TCM kênh Gauss Soft-Output) dùng để giải mã xoắn tạo xác suất bít hậu nghiệm cho bít thơng tin bít mã hố Theo Benedetto, ta ký hiệu xác suất tiên d) BICM-ID nghiệm P (q; I ) xác suất hậu nghiệm Việc xáo trộn bít liên kết bít mã hố ban đầu xa symbol kênh Với xáo trộn lý tưởng, bít mã hố tạo symbol kênh độc lập, phản hồi từ vùng liệu mạnh (ít bị ảnh hưởng nhiễu kênh) loại bỏ tranh chấp điều chế bậc cao cải thiệnviệc giải mã vùng liệu yếu (bị ảnh hưởng lớn nhiễu kênh) Với thơng tin đầy đủ bít symbol kênh có nhờ giải mã hồi tiếp, điều chế 8PSK tiến tới điều chế nhị phân cho vị trí bít Do khoảng cách điểm tín hiệu constellation tăng lên đáng kể P(q; O ) biến ngẫu nhiên q [9] Ban đầu khơng có ( ) P u ti ; I khơng dùng tồn ( ) q trình giải mã Thêm vào đó, P u ti ; O P (cti ; O ) thông tin ngoại lai (còn gọi thơng tin ngồi hay thông tin thêm vào) [7,9] ( ) ( Trong chặng thứ 2, P cti , O P vti , O ) xáo trộn phản hồi tới giải mã Giả sử ( ) ( ) ( ) P vt1 ; I , P vt2 ; I , P vt3 ; I độc lập (nhờ xáo trộn tốt) với xt ∈ χ ta có : Tuy nhiên, phản hồi chứa lỗi, nhận constellation nhị phân sai Do đó, điều quan trọng cần giảm ảnh hưởng lỗi phản hồi ( ( P ( xt ) = P µ ⎡⎣v1 ( xt ) , v ( xt ) , v3 ( xt ) ⎤⎦ ( = ∏ P vt = v j =1 j j )) tập χ 1i χ 0i khác số bít khác điểm lân cận Do đó, với BICM truyền thống, phép gán nhãn Gray coi tối ưu số bít khác điểm lân cận nhỏ (bằng 1) [11,12] (6) ( xt ) ; I ) Trong v j ( xt ) ∈ {0,1} giá trị bít thứ j nhãn gán cho Sử dụng (5) (6), có xác suất bít hậu nghiệm ngoại lai cho giải điều chế chặng thứ là: ⎛ ⎞ ⎜⎜ ∑ P ( yt xt ) P ( xt ) ⎟⎟ P v = b yt ⎝ xt ∈χbi ⎠ = P vti = b; O = (7) P vti = b; I P vti = b; I ( = ( ( ) ) ) i t ⎛ ∑ ⎜ P ( y x ) ∏ P (v t t j ≠i ⎝ với i=1,2,3; b=0,1 xt ∈χbi t j ( ) ⎞ = v j ( xt ) ; I ⎟ ⎠ ) Do đó, tính lại metric bít cho bít, cần sử dụng xác suất tiên nghiệm bít khác symbol kênh Các metric bít tạo đưa vào giải mã lặp lại qúa trình giải điều chế giải mã Đầu giải mã cuối định cứng dựa xác suất bít ngoại lai P (u ti ; O ) , xác suất hậu nghiệm tổng ( ) P u ti ; I khơng sử dụng Hình Các sơ đồ ánh xạ khác Trong giải mã ta sử dụng thuật tốn “logmap” [9] Tổng log cơng thức (5) xấp xỉ phép tính max nhờ tra bảng làm giảm đáng kể phức tạp hệ thống Với thông tin đầy đủ từ bít khác symbol, điều chế 8PSK đưa điều chế nhị phân từ tập có điều chế nhị phân Việc giải mã lặp BICM không làm tăng khoảng cách Euclid tập mà giảm số bít khác điểm lân cận Điều cải thiện chất lượng cho kênh AWGN kênh pha đinh Hình cho thấy tăng khoảng cách Euclid tối thiểu tập phương pháp dán nhãn khác Lúc này, phép gán nhãn Gray khơng lựa chọn hồn hảo khoảng cách tối thiểu tập khơng tăng lên Gán nhãn tín hiệu (Signal Labeling) Điểm mấu chốt thiết kế phương pháp mã hoá khác làm tối ưu với phép gán nhãn (hay phương pháp ánh xạ) tập tín hiệu khác Tập Gray, tập phân hoạch SP (Set-Partitioning) bán phân hoạch SSP (Semi SP) ví dụ Các sơ đồ ánh xạ với 8-PSK mơ tả hình Vùng định bit lấy giá trị χ 1i biểu thị vùng tơ mờ đường tròn đơn vị; vùng không tô mờ tương ứng với bit lấy Các mô minh hoạ cho hiệu mã BICM-ID sử dụng cho hệ thống OFDM giá trị χ 0i Ta thấy tất sơ đồ gán III KHẢO SÁT HỆ THỐNG OFDM nhãn có khoảng cách Euclid cực tiểu Khơng làm giảm tính tổng qt, ta tiến hành mơ hệ thống OFDM dựa theo mơ hình HIPERLAN II thời Mơ hình hệ thống mơ tả hình Trong mơ hình trên, khối chức thiết kế từ khối thư viện simulink gói phần mềm mơ MATLAB 7.0 Các tham số băng OFDM chọn tương tự chuẩn HIPERLAN-II: Số sóng mang liệu băng 48, số sóng mang Pilot 4, kích cỡ FFT 64 Bộ mã sở dùng cho BICM-ID mã xoắn (7, [133,171]) Trước hết, ta ghi lại hình ảnh Constellation tín hiệu 16-QAM để thấy rõ tác động pha đinh đa đường tạp âm Gauss lên tập tín hiệu điều chế Khi truyền tín hiệu 16QAM qua kênh Rice có hệ số k=4 độ dịch tần Doppler D=40Hz (tương ứng với vận tốc chuyển động 8,8Km/h fc= 5GHz), đồng thời chịu tác động tạp âm Gauss SNR=15 dB, SNR=10 dB, Constellation tín hiệu bị xoay pha phân tán đến mức khơng thể nhận (hình 6) (Trong mơ hình kênh Rice, k định nghĩa tỷ lệ công suất tia trội công suất tia phân tán) Hình Constellation tín hiệu OFDM 16-QAM kênh pha đinh Rice với hệ số k=4 độ dịch tần D=40Hz, đồng thời với tạp âm Gauss với SNR=15 dB (trên) SNR=10dB (dưới) Hình Sơ đồ khối hệ thống OFDM theo mơ hình HIPERLAN II 10 Kết cho thấy hệ thống OFDM-8PSK dùng mã xoắn (7 [133,171]) hoạt động tốt kênh Rice có k>32 Hệ thống OFDM 4-PSK hoạt động tốt kênh Rice k>16 tương đối tĩnh (D 100 tương đối tĩnh (D 100 tương đối tĩnh (D