Đề tài nghiên cứu phương pháp điều chế trong hệ thống BILCM-ID trên cơ sở độ tin cậy của các bít mã nhằm hạ thấp sàn lỗi. Nghiên cứu áp dụng được nguyên lý BILCM-ID đối với điều chế BPSK, nghiên cứu sử dụng các ánh xạ đa chiều (2D, 3D, 4D) để biến điều chế hai mức thành điều chế đa mức. Nghiên cứu cải tiến thuật toán SPA nhằm nâng cao chất lượng giải mã của thuật toán này.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HÀ THỊ KIM THOA NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG Mà LDPC Chuyên ngành: Kỹ thut in t Mó s: 62.52.02.03 tóm tắt luận án tiÕn sÜ kü tht HÀ NỘI - 2014 Cơng trình hoàn thành tại: Học viện Kỹ thuật Quân Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đinh Thế Cường DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH Đà CƠNG BỐ Hà Thị Kim Thoa, Đinh Thế Cường, “Nghiên cứu cải thiện chất lượng thuật toán giải mã truyền niềm tin cho mã LDPC cách sử dụng hệ số hiệu chỉnh“, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ Quân sự, số 18, trang 55-61, tháng 4-2012 Phản biện 1: Hà Thị Kim Thoa, Đinh Thế Cường, “Giảm ảnh hưởng việc ước lượng tỷ lệ tín tạp tới chất lượng giải mã LDPC thuật tốn tổng-tích việc sử dụng hệ số hiệu chỉnh“, Tạp chí Nghiên cứu Phản biện 2: Khoa học Công nghệ Quân sự, số 19, trang 55-61, tháng 6-2012 Phản biện 3: Hà Thị Kim Thoa, Đinh Thế Cường, “Cải thiện chất lượng mã LDPC cách áp dụng nguyên lý BICM-ID”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, số 151, trang 135-144, tháng 12- Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ cấp Học 2012 viện theo định số……/… , ngày … tháng… năm……của Giám Hà Thị Kim Thoa Nguyễn Tùng Hưng, “Phương pháp điều chế đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp Học viện Kỹ thuật Quân vào mã LDPC dựa độ tin cậy bít mã”, Tạp chí Khoa học Kỹ hồi thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, số 158, trang 5-16, tháng 12-2013 ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân Thư viện quốc gia 24 điều chế mã LDPC kết hợp với ánh xạ phân hoạch tập tín GIỚI THIỆU LUẬN ÁN hiệu cho phép cải thiện vùng sàn lỗi Kết công bố công trình nghiên cứu số luận án Tính cấp thiết đề tài Mã kiểm tra mật độ thấp LDPC (Low Density Parity Check) Đề xuất sơ đồ kết hợp BICM-ID LDPC cho trường hợp điều R G Gallager đề xuất lần vào năm 1962 Trong vòng 30 năm chế nhị phân điều chế đa mức Đối với điều chế nhị phân, đề xuất ánh sau mã LDPC bị nhà nghiên cứu lãng quên đến xuất xạ đa chiều để áp dụng nguyên lý BICM-ID Sơ đồ kết hợp góp phần giảm ảnh hưởng xấu vịng kín ngắn Các kết mơ thể cải thiện phẩm chất (BER) hệ thống tỷ lệ tín tạp đủ lớn Kết cơng bố cơng trình số luận án Đề xuất sơ đồ mô tiết kiệm thời gian cho hệ thống điều chế mã LDPC Đề xuất cải tiến nhỏ cho thuật tốn giải mã tổng-tích SPA mã Turbo vào năm 1993, mã LDPC tái phát nhờ chất lượng chúng gần giới hạn Shannon (tương tự mã Turbo) Ngoài ra, mã LDPC có ba phẩm chất vượt trội so với mã Turbo: (1) Giải mã song song có độ phức tạp tính tốn thấp mã Turbo; (2) Trên thực nghiệm tất lỗi phát mặc Đây dạng thuật toán lan truyền niềm tin BP thường dù chưa chứng minh lý thuyết; (3) Các mã LDPC có sử dụng để giải mã LDPC Cải tiến đề xuất nhân hệ số phương pháp giải mã đơn giản Do vậy, mã LDPC lên hiệu chỉnh vào biểu thức tính tin nút kiểm tra Việc sử ứng cử viên triển vọng cho hệ thống mã sửa lỗi hướng (FEC) dụng hệ số hiệu chỉnh cịn có tác dụng giảm bớt ảnh hưởng sai số chấp nhận nhiều tiêu chuẩn tiên tiến ước lượng tỷ lệ SNR Kết cơng bố cơng trình số số Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm trội nêu trên, mã LDPC luận án tồn hạn chế Thứ nhất, mã có chất lượng tốt B Hướng phát triển luận án mã dài (như tiên đoán lý thuyết mã kênh) Các chiều Các đề xuất luận án mô cho mã LDPC có tỷ lệ mã ½ có chiều dài từ mã lớn 1920 Thực mô với mã LDPC có tỷ lệ mã khác chiều dài từ mã lớn hay mô kênh khác kênh Gao-xơ kênh fading hướng phát triển luận án dài khối lớn, kèm theo giải mã lặp dẫn đến khó chấp nhận nhiều ứng dụng Thứ hai, ma trận sinh G không thiết ma trận thưa nên việc mã hoá theo ma trận sinh có độ phức tạp tỷ lệ với bình phương chiều dài mã Các mã LDPC biểu diễn đồ hình đơi gọi đồ hình Tanner, mầm (girth) đồ hình Tanner chiều dài vịng kín ngắn đồ hình Các mầm đồ hình Tanner mã LDPC cản trở tính hội tụ thuật tốn tổng-tích Hơn nữa, vịng kín, đặc biệt vịng kín ngắn, làm suy giảm chất lượng giải mã 23 LDPC chúng ảnh hưởng tới tính độc lập thơng tin trao đổi ngun lý BICM-ID, cịn có đóng góp việc tạo (extrinsic information) vòng lặp giải mã Người ta mong muốn số liên kết hiệu vịng kín đồ hình Tanner xây dựng mã LDPC có mầm lớn, điều dẫn đến M· LDPC(960, 480), 50 lần lặp phc v cu trúc ma trận kiểm tra M· LDPC(1920, 960), 50 lần lặp 10 10 Gray 2D SP 3D SP -1 Gray SP 2D SP 3D -1 10 10 -2 10 -2 10 Với đặc điểm nêu trên, thời gian qua mã LDPC -3 10 -3 BER BER 10 nhận nhiều quan tâm nghiên cứu giới Với mục đích -4 10 -4 10 -5 10 sâu nghiên cứu mã LDPC, tìm biện pháp nhằm nâng cao chất lượng mã, nghiên cứu sinh chọn đề tài luận án “Nghiên cứu cải -5 -6 10 10 -7 10 -6 10 -8 thiện chất lượng mã LDPC” Mục tiêu nghiên cứu đề tài Nghiên cứu phương pháp điều chế hệ thống BILCM-ID sở độ tin cậy bít mã nhằm hạ thấp sàn lỗi Nghiên cứu áp dụng nguyên lý BILCM-ID điều chế BPSK, nghiên cứu sử dụng ánh xạ đa chiều (2D, 3D, 4D) để biến điều chế hai mức thành điều chế đa mức Nghiên cứu cải tiến thuật toán SPA nhằm nâng cao chất lượng giải mã thuật toán Phương pháp nghiên cứu 10 -7 10 0.5 1.5 Eb/No (dB) 2.5 0.5 Hình 3-17 Kết mơ mã LDPC (960,480), điều chế 2D 3D 1.5 2.5 Eb/N0 (dB) 3.5 Hình 3-18 Kết mơ mã LDPC(1920,960), điều chế 2D 3D 3.7 Tóm tắt chương Ngoài việc xây dựng hệ thống đa chiều cho điều chế nhị phân, Chương cịn trình bày phương pháp ứng dụng nguyên lý BICM-ID cho điều chế đa mức (M-PSK M-QAM) Các tính LLR cho giải điều chế mềm chip hóa nên độ phức tạp kết hợp LDPC với BICM-ID vấn đề lớn Phương pháp nghiên cứu sử dụng luận án kết hợp giải tích với mơ Monte-Carlo Phương pháp giải tích sử dụng để biểu diễn, xây dựng mã thiết lập mơ hình hệ thống Mô MonteCarlo sử dụng để đánh giá chất lượng hệ thống (BER) Đối tượng nghiên cứu KẾT LUẬN Nội dung luận án thực nhiệm vụ đề tiến hành nghiên cứu cải thiện chất lượng mã LDPC A Các kết luận án Đề xuất phương pháp cải thiện chất lượng mã LDPC Kênh vô tuyến; Lý thuyết Shannon; Các vấn đề mã cách điều chế mã sở độ tin cậy bít mã Nội dung phương LDPC (các đặc điểm mã, phương pháp mã hóa thuật toán pháp xây dựng hoán vị theo độ tin cậy bít mã cho giải mã); Nguyên lý hệ thống BICM-ID; Các ánh xạ đa chiều bít mã vịng ngắn đồ hình Tanner khơng phép ánh xạ vào tín hiệu Kết mơ cho thấy phương pháp 22 bít mã sau qua hốn vị ánh xạ m bít theo quy luật Phạm vi nghiên cứu định vào điểm tín hiệu sau điều chế BPSK Điều chế đa Nghiên cứu hệ thống thông tin sử dụng mã LDPC, hệ thống chiều coi véc-tơ m dấu nhị phân 1 liên tiếp điểm BICM-ID, đánh giá chất lượng hệ thống kênh Gao-xơ tập tín hiệu đa chiều, đa điểm Luận án đề xuất việc loại bỏ độc Bố cục luận án lập ánh xạ bit m bit, thay vào ánh Luận án trình bày 102 trang ngồi phần mở đầu kết luận, xạ m bit lên số điểm tín hiệu đa chiều tạo thành luận án chia thành chương Chương 1: Tổng quan Chương 2: Sơ đồ đỉnh hình siêu khối Chịm tín hiệu m chiều S kết hợp LDPC BICM-ID Chương 3: Điều chế mã LDPC sở M 2m tạo M 2m điểm tín hiệu, điểm cho độ tin cậy bít mã x ( x1 , x2 , , x m ) CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN x j 1, j m 1.1 Giới hạn Shannon Hình 3-14 kết mô cho mã LDPC (256,128) 1.1.1 Lượng tin Nhận thấy, tăng số chiều điều chế có cải thiện BER Shannon định nghĩa lượng tin kiện xi đại lượng đo theo chọn hốn vị tốt (S-Random) hiệu cịn tốt M· LDPC(256, 128), 10 lÇn lặp hm lụ-ga-rớt: Mà LDPC(480, 240), 50 lần lặp 10 10 Gray 2D, SP 4D, SP -1 10 Gray 2D SP 3D SP -1 1 I i logb Pi log b Pi 10 -2 -2 10 10 -3 -3 10 10 1.1.2 Entropy BER BER -4 -4 10 10 -5 Mỗi ký hiệu chứa lượng tin Ii nên tập I1 , I , , I M xem -5 10 10 -6 giá trị biến ngẫu nhiên rời rạc với lượng tin trung bình: -6 10 10 -7 10 (1.1) -7 0.5 1.5 2.5 Eb/No (dB) 3.5 4.5 Hình 3-14 Kết mơ cho mã LDPC (256,128), điều chế 2D 4D 10 0.5 1.5 Eb/No (dB) 2.5 3.5 Hình 3-16 Kết mô mã LDPC (480,240), điều chế 2D 3D M M 1 H b X PI Pi logb i i i1 i 1 Pi (1.5) 1.1.3 Kênh thông tin Hình 3-17 Hình 3-18 kết mơ cho mã Kênh thông tin đặc trưng tập ký hiệu đầu vào LDPC(960,480) LDPC(1920,960) Khi số chiều tăng có xu hướng x , x cải thiện BER xảy Eb / N0 cao Điều phù hợp với có điều kiện P( yi / xi ) xác định mối quan hệ đầu vào xi đầu yi , , xU tập ký hiệu đầu y1 , y , , yV tập xác suất 1.1.4 Lượng tin tương hỗ 21 Lượng tin tương hỗ phát xi nhận yi định nghĩa là: -1 10 (1.10) 1.1.5 Dung lượng kênh rời rạc Tham số đặc trưng kênh định nghĩa giá trị lớn lượng tin tương hỗ trung bình kênh 1.1.6 Lý thuyt v mó kờnh -2 10 Tỷ lệ lỗi bít lỗi từ mà P ( x i / yi ) I x i , y i log bÝt P ( xi ) M· LDPC tû lệ 1/2, điều chế 4PSK: so sánh ánh xạ SP ánh xạ Gray, 20 lần lặp 10 -3 10 -4 10 -5 10 BER, mà (960,480), ánh xạ SP FER, mà (960,480), ánh xạ SP BER, mà (960,480), ¸nh x¹ Gray FER, m· (960,480), ¸nh x¹ Gray BER, mà (1920,960), ánh xạ SP FER, mà (1920,960), ánh xạ SP BER, mà (1920,960), ánh xạ Gray FER, mà (1920,960), ¸nh x¹ Gray -6 10 -7 10 -8 10 -9 Nếu tốc độ thông tin nguồn định khơng vượt q dung lượng kênh tồn kỹ thuật mã hóa tạo truyền dẫn với tỷ lệ lỗi thấp tùy ý kênh không tin cậy 1.2 Mã LDPC 1.2.1 Sự phát triển kỹ thuật mã kênh nhằm đạt giới hạn Shannon Khái niệm mã kiểm tra mật độ thấp (LDPC) phát minh Robert G Gallager luận án tiến sỹ ông MIT năm 1963 10 0.5 1.5 2.5 3.5 Tỷ lệ tín tạp, Eb/No (dB) Hỡnh 3-4 Kết mô mã LDPC tỷ lệ 1/2 với điều chế 4PSK Hình 3-7 so sánh phẩm chất hệ thống BILCM-ID điều chế 4PSK theo ánh xạ SP, sử dụng hoán vị thiết kế sử dụng hoán vị ngẫu nhiên Tăng ích sử dụng hốn vị đạt khoảng 0,2 đến 0,4 dB So s¸nh bé ho¸n vị thiết kế với hoán vị ngẫu nhiên, điều chế mà LDPC tỷ lệ 1/2, 20 lần lặp 10 Tính khơng khả thi phức tạp thuật tốn mã hóa - giải mã -1 10 bước phát triển ban đầu làm cho mã LDPC rơi vào quên lãng, -2 chúng tái phát năm 1996 Trong năm gần đây, tiến mã LDPC vượt trội mã Turbo chất lượng tỷ lệ mã hóa cao làm cho mã Turbo phù hợp cho ứng dụng với tỷ lệ mã hóa thấp 1.2.2 Quá trỡnh phỏt trin ca mó LDPC Tỷ lệ lỗi bít lỗi từ m à 10 -3 10 BER, LDPC(240,120), ánh xạ SP, hoán vị ngẫu nhiên FER, LDPC(240,120), ánh xạ SP, hoán vị ngẫu nhiên BER, LDPC(240,120), ánh xạ SP, hoán vị thiết kế FER, LDPC(240,120), ánh xạ SP, hoán vị thiết kế BER, LDPC(480,240), ánh xạ SP, hoán vị ngẫu nhiên FER, LDPC(480,240), ánh xạ SP, hoán vị ngẫu nhiên BER, LDPC(480, 240), ánh xạ SP, hoán vị thiết kế FER, LDPC(480, 240), ánh xạ SP, hoán vị thiết kế BER, LDPC(960,480), ánh xạ SP, hoán vị ngẫu nhiên FER, LDPC(960,480), ánh xạ SP, hoán vị ngẫu nhiên BER, LDPC(960,480), ánh xạ SP, hoán vị thiết kế FER, LDPC(960,480), ánh xạ SP, hoán vị thiết kế -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Tỷ lệ tín tạp, Eb/No (dB) Tại thời điểm đời mã LDPC, lực tính tốn máy tính cịn hạn chế nên kết mô không phản ảnh khả kiểm soát lỗi cao mã Cho đến tận gần đây, đặc tính vượt trội mã LDPC chứng minh Mackay Neal hai người coi phát minh mã LDPC lần nhờ sử Hình 3-7 So sánh phẩm chất hệ thống BLCM-ID sử dụng hoán vị với dùng hoán vị ngẫu nhiên 3.3 Kết mơ hệ thống BILCM-ID với tín hiệu đa chiều Đối với hệ thống mã LDPC điều chế BPSK, để ứng dụng nguyên lý BICM-ID, luận án đề xuất sử dụng ánh xạ đa chiều Các 20 dụng thuật toán giải mã dựa thuật tốn tổng-tích SPA (Sum-Product M· LDPC chiỊu dµi 240, tû lÖ 1/2 Algorithm) Từ định nghĩa ban đầu Gallager, Luby tác giả 0.9 khác đánh dấu bước tiến quan trọng mã LDPC việc 0.7 đưa khái niệm mã LDPC bất quy tắc Việc biểu diễn mã LDPC § é tin c Ë y c ñ a b Ýt m · 0.8 0.6 đồ hình (graph) đóng vai trị quan trọng việc xây dựng thuật 0.5 toán giải mã Tanner coi người đề xuất biểu diễn mã dựa 0.4 đồ hình 0.3 0.2 1.2.3 Cơ bn v mó LDPC chưa xếp xếp theo thứ tự giảm dần 0.1 0 10 20 30 40 50 60 Ký hiệu n chiều dài mã, k chiều dài véc-tơ tin r n k 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 C¸c bÝt m· Hình 3-2 Độ tin cậy bít mã mã LDPC tỷ lệ 1/2, chiều dài 240 bít 3.2 Kết mơ hệ thống BILCM-ID với tín hiệu đa mức Để minh chứng cho hiệu phương pháp điều chế mã chiều dài phần dư Trong luận án, ta xét mã LDPC nhị phân Ma trận sinh G kích thước n k ma trận kiểm tra H có kích thước rn, cho HG Một ma trận gọi thưa số phần tử khác nhỏ nửa Mã kiểm tra mật độ thấp LDPC (Low-density parity-check codes) mã khối có ma trận kiểm tra ma trận thưa LDPC với hoán vị đề xuất trên, luận án tiến hành Mã LDPC chia làm hai loại: mã LDPC quy tắc mã LDPC mô mã LDPC chiều dài 240, 480, 960 bít, với điều chế 4PSK, bất quy tắc Mã LDPC gọi mã quy tắc trọng số hàng 8PSK 16QAM kênh Gao-xơ Nhìn chung, quan sát hình giống trọng số cột giống vẽ thấy so với điều chế theo ánh xạ Gray (tương đương hệ 1.2.4 Đặc điểm mã LDPC thống mã LDPC thông thường), điều chế theo ánh xạ phân hoạch tập Các mã LDPC có đặc điểm khoảng cách tốt Mật độ (SP mapping) có áp dụng BILCM-ID cho giá trị BER thấp SNR thưa ma trận kiểm tra mã LDPC làm cho thuật tốn giải mã đủ lớn Hình 3-4 cho thấy với đường BER, FER ứng với ánh xạ thuận lợi Tuy nhiên, tồn nhược điểm mã LDPC Gray bắt đầu xuất sàn lỗi đường BER, FER ứng Thứ nhất, mã có chất lượng tốt mã Các chiều dài với ánh xạ SP dốc xuống Điều chứng tỏ phương pháp điều chế khối lớn, kèm theo giải mã lặp dẫn đến không chấp nhận mã đề xuất có tác dụng hạ thấp sàn lỗi nhiều ứng dụng Thứ hai, ma trận sinh G không thiết thưa nên việc 19 mã hố có độ phức tạp tỷ lệ với bình phương chiều dài khối Ngồi ra, để xác định độ tin cậy bít mã thực lần xây mã LDPC có tượng sàn lỗi mã Turbo dựng hệ thống, độc lập với trình sử dụng hệ thống cho truyền tin sau 1.3 Sơ đồ BICM-ID truyền thống nên độ phức tạp mô giai đoạn thiết kế khơng cộng thêm Ở đầu phát hệ thống gồm có mã sửa lỗi, hốn vị dãy bít ( ) vào độ phức tạp khai thác hệ thống điều chế tạo thành liên kết nối tiếp Ở đầu thu, giải Bây ta thiết kế phép hoán vị cho giá trị Trước hết, mã giải điều chế có sử dụng vòng hồi tiếp để giải mã theo thuật giá trị LLR trung bình bít mã xếp lại theo thứ tự toán lặp Bộ mã sửa lỗi thường dùng mã chập Dãy bít mã sau giảm dần độ tin cậy từ trái sang phải Tiếp theo, Tạo hoán vị đưa tới điều chế M mức để thực việc gán nhãn tín hiệu, điều chế nhóm m bít mã tương ứng với điểm (một symbol) chịm tín hiệu, m log M Tín hiệu truyền qua kênh tín hiệu phức st (vt ) chọn từ chịm tín hiệu S cho Ở đây, hàm thể quy tắc ánh xạ tập nhóm bảng có hàng cột Ghi giá trị xếp vào bảng, ghi vào theo hàng đọc theo cột Giả sử thu véc-tơ giá trị LLR trung bình phép hốn vị m bít Đặt từ mã Nếu áp dụng ta thu chuỗi bít Bộ điều chế đọc vào bít từ trái sang phải, với tập điểm chòm tín hiệu khối nhỏ ut ct Mã hố vt Hốn vị st Điều chế Thông tin vào Kênh truyền uˆ t Thơng tin Giải mã Giải hốn vị Giải điều chế rt vị bít lại ánh xạ vào tín hiệu Có thể thấy phép hốn thỏa mãn điều kiện bít mã vịng ngắn đồ hình Tanner khơng phép ánh xạ vào tín hiệu, cụ thể là: - Các bít nằm vịng kín ngắn có độ tin cậy thấp xếp liền theo hàng bảng Khi đọc theo cột, bít bị phân tán rơi vào tín hiệu khác nhau; Hốn vị - Nếu điều chế sử dụng phép ánh xạ theo phân hoạch tập cho nhãn nhị phân tín hiệu vị trí bít phía trái có độ Hình 1-7 Sơ đồ khối hệ thống BICM-ID 1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu Thứ nhất, để giảm thiểu ảnh hưởng vịng kín ngắn, luận án nghiên cứu phương pháp điều chế mã cho bít thuộc vịng kín khơng ánh xạ vào tín hiệu Điều thực tin cậy so với vị trí bít bên phải bít mã có độ tin cậy cao gửi qua kênh nhị phân tương đương có độ tin cậy cao 18 việc xây dựng hoán vị sở độ tin cậy bít mã Các bít có độ tin cậy khác bảo vệ mức khác 2.4 Kết luận chương Chương trình bày mơ hình hệ thống sơ đồ BILCM-ID, Nếu bít mã có bậc tin cậy cao ánh xạ vào vị trí bít bảo kết hợp sơ đồ BICM-ID truyền thống mã LDPC Chương vệ tốt tín hiệu cải thiện xác suất lỗi bít đề xuất cải tiến sơ đồ mô BILCM-ID dùng cho vùng sàn lỗi Với điều chế đa mức MPSK hay MQAM với M > 2, nghiên cứu Chương Luận án nghiên cứu cải thiện chất nguyên lý BICM-ID áp dụng trực tiếp cho sơ đồ dùng mã LDPC lượng thuật toán giải mã SPA cách đề xuất áp dụng hệ số hiệu làm mã sửa lỗi hướng thay cho mã chập Còn với BPSK, luận án đề chỉnh tính tốn tin nút kiểm tra đồ hình Tanner xuất áp dụng ý tưởng tạo điều chế đa mức thông qua điều chế đa chiều, Ngồi ra, qua mơ phỏng, luận án phát thấy việc sử dụng hệ số nghĩa chia khối bít đầu máy mã LDPC thành nhóm nhỏ m hiệu chỉnh phù hợp giảm ảnh hưởng xấu việc ước lượng kênh bít Mỗi nhóm ánh xạ vào véc tơ m tín hiệu BPSK Kết nghiên cứu vấn đề trình bày Chương khơng xác Thứ hai, việc tồn vịng kín ngắn đồ hình Tanner và/hoặc ma trận kiểm tra cho chiều dài từ mã thực tiễn chưa đủ CHƯƠNG 3: ĐIỀU CHẾ Mà LDPC DỰA TRÊN ĐỘ TIN CẬY CỦA CÁC BÍT Mà 3.1 Xây dựng hốn vị dựa độ tin cậy bít mã Có nguyên tắc để tạo phép hoán vị dùng sơ đồ BICM-ID tính ngẫu nhiên ảnh hưởng đến chất lượng giải mã thuật toán SPA Luận án nghiên cứu cải thiện chất lượng thuật toán giải mã SPA cách đề xuất áp dụng hệ số hiệu chỉnh tính tốn tin nút kiểm tra đồ hình Tanner cho bít kiện lỗi ngắn mã chập không Thứ ba, việc xem xét đánh giá khả sửa lỗi mã khối tuyến ánh xạ vào tín hiệu Phát triển ý tưởng sang BILCM- tính, mơ phỏng, khơng phụ thuộc vào việc giả thiết từ mã ID, thấy bít mã vịng ngắn đồ hình Tanner phát Nhất mã LDPC, phải xét đến không phép ánh xạ vào tín hiệu Cũng thế, bít chiều dài từ mã đủ lớn việc mã hóa ma trận sinh phức mã có bậc tin cậy cao ánh xạ vào vị trí bít bảo vệ tốt tạp Vì mơ đánh giá chất lượng mã hóa - giải mã người tín hiệu cải thiện xác suất lỗi bít vùng sàn lỗi ta thường giả thiết từ mã toàn '0' gửi Khi nghiên cứu sơ Luận án dùng mô để xác định độ tin cậy bít mã, dựa đồ BICM-ID, phải xét đến sơ đồ điều chế với chòm giá trị LLR trung bình bít mã theo số vịng giải mã lặp tín hiệu khác Với điều chế mà miền định giống lẫn số lượng từ mã gửi Với mã LDPC cho trước, việc mô tất điểm tín hiệu chịm tín hiệu (ví dụ 17 MPSK) việc giả thiết từ mã tồn '0' khơng ảnh hưởng tới độ Nhưng với điểm tín hiệu (ví dụ 16QAM) khơng có tính xác kết mơ Tuy nhiên, có khác chất lỗi (miền định có kích thước khác hình dạng hay kích thước miền định điểm tín hiệu điểm bên bên ngồi rìa chịm tín hiệu), nên có từ khác chịm tín hiệu (ví dụ MQAM) kết mơ mã tồn '0' mơ khơng xác.Để dùng từ mã khơng xác, có điểm ứng với nhãn nhị phân tồn '0' tồn mà mơ với tất điểm tín hiệu, luận án đề xuất gửi Trong trường hợp này, luận án nghiên cứu đề xuất lợi dụng trộn từ mã toàn với chuỗi ngẫu nhiên (scram), sau điều chế việc cộng từ mã LDPC theo modulo với chuỗi giả ngẫu nhiên để phát tín hiệu chịm tín hiệu chọn với xác suất nhau, đảm bảo độ xác kết mơ CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ KẾT HỢP LDPC VÀ BICM-ID 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều chế mã LDPC Hình 2-1 mơ tả sơ đồ khối hệ thống điều chế mã LDPC có hốn vị bít (Bit-Interleaved LDPC Coded Modulation with Iterative Decoding, BILCM-ID) Tại máy mã LDPC, khối bít tin đầu vào u (u1 , u2 ,, uk ) mã hóa thành từ mã c (c1 , c2 ,, cn ) Bộ điều chế sau đọc khối nhỏ m log M bít, ánh xạ vào tập M tín hiệu, chọn lấy tín hiệu gửi qua kênh Ở đây, ta xét kênh tạp âm Gao-xơ trắng cộng tính (AWGN - Additive White Gaussian Noise) Ký Hình 2-21 So sánh kết mơ phương pháp cũ hiệu s (s1, s2 ,, sn/m ) véc-tơ tín hiệu tương ứng với phiên hốn vị Sơ đồ mơ tiết kiệm thời gian sử dụng mô chất từ mã c Cho v (v1, v2 ,, vn/m ) véc-tơ gồm thành phần tạp âm lượng mã LDPC phần luận án Hình 2-21 so sánh kết AWGN trung bình phương sai N0 / N mật độ thời gian mô dùng từ mã toàn '0' kết hợp với chuỗi phổ cơng suất phía Ta có véc-tơ thu r s v trộn dùng từ mã với chuỗi tin ngẫu nhiên cho hoàn cảnh Phía thu hoạt động theo nguyên lý giải mã - giải điều chế lặp Các đường cong BER FER cho thấy kết mô theo hai sơ đồ BICM-ID Cũng sơ đồ điều chế mã LDPC phương pháp Tuy nhiên, thời gian mô dùng từ truyền thống, giải điều chế mềm biến đổi véc-tơ tín hiệu thu r thành mã toàn '0' nhỏ 16 BER nhỏ (khi SNR lớn hay số vòng lặp đủ lớn), ảnh hưởng hệ véc-tơ a ( a1 , a2 , , an ) chứa giá trị tỷ lệ hợp lẽ theo hàm Lô-ga (LLR số SF rõ nét Nhưng trường hợp - Log Likelihood Ratio) làm đầu vào cho giải mã LDPC Điểm khác chọn SF=0,9 giá trị tối ưu biệt mơ hình xét, giải điều chế giải mã LDPC liên 2.3 Xây dựng sơ đồ mô hệ thống BILCM-ID kết thơng qua giải hốn vị hoán vị Ký hiệu đầu vào giải mã 2.3.1 Mã hóa LDPC a 1 ( a ) , giá trị LLR bít mã nhận Trong mã LDPC có thuật tốn giải mã hiệu quả, độ phức cách giải hoán vị thành phần véc-tơ a Trong lần tạp tăng tuyến tính với chiều dài mã độ phức tạp mã hố lại tăng lặp, giải mã LDPC dựa thuật tốn Tổng - Tích SPA dùng đầu theo bình phương chiều dài khối địi hỏi phép nhân với ma trận vào a để cập nhật LLR nút kiểm tra, sau dùng LLR nút kiểm sinh ma trận thưa Tuy nhiên, phần tác giả trình bày tra để cập nhật giá trị LLR nút mã, cho đầu b Ký hiệu số bước xử lý trước mã hoá để mã hoá với độ phức tạp hợp lý b (b) véc-tơ chứa giá trị LLR bít mã hốn vị, dùng làm thông tin tiên nghiệm hỗ trợ giải điều chế vòng lặp tiếp 2.3.2 Hệ thống BILCM-ID có trộn bít theo Việc mã hóa liệu ngẫu nhiên thời gian Vì u vậy, mơ người ta mong muốn coi chuỗi vào toàn '0', Máy mã LDPC c Hốn vị bít c lúc từ mã tồn '0' khơng cần làm thủ tục mã hóa Điều chế v u Máy mã LDPC c Hốn vị bít từ mã v s Điều chế u Giải mã LDPC a 2u Giải mã LDPC Hốn vị bít Kênh LA LE Giải hốn vị bít từ mã Hốn vị bít từ mã LE Giải điều chế mềm Kênh r Giải hốn vị bít b u s a Giải điều chế mềm b r LA Hình 2-20 Sơ đồ khối hệ thống mã LDPC có trộn bít Hình 2-1 Sơ đồ khối hệ thống 2.2 Cải tiến thuật toán giải mã SPA 2.2.1 Bộ giải mã cứng Đối với bít ci , tính phép kiểm tra có liên quan tới ci Nếu số phép kiểm tra khác vượt ngưỡng (tức đa số phép kiểm tra khác 10 15 dụng hệ số SF 0) bít xác định khơng Bít lỗi đảo trình sửa lỗi tiếp tục Điều chế mà LDPC(240,120) , ánh xạ Gray, SF=1 (không dïng hÖ sè hiÖu chØnh) 2.2.2 Giải mã mềm: Thuật tốn tổng-tích SPA 10 -1 -1 định cứng), xác suất truyền đồ hình Tanner, thơng tin kiểm tra bít tích lũy Bộ giải mã tối ưu (tối thiểu hóa xác suất lỗi giải mã) tìm kiếm từ mã c có P(c | r, Hc 0) lớn nhất, tức 10 T ỷ lệ lỗ i bít v lỗi từ m à T ỷ lệ lỗ i bít v lỗi từ m à 10 Vi b gii mó quyt định mềm, khác với việc đảo bít (giải mã -2 10 BER, Eb/No = 3.0dB, 40 lần lặp FER, Eb/No = 3.0dB, 40 lần lặp BER, Eb/No = 3.0dB, 20 lần lặp FER, Eb/No = 3.0dB, 20 lần lặp BER, Eb/No = 2.0dB, 40 lần lặp FER, Eb/No = 2.0dB, 40 lần lặp BER, Eb/No = 2.0dB, 20 lần lặp FER, Eb/No = 2.0dB, 20 lần lặp -3 10 -4 10 Mà LDPC(240,120), điều chế 4PSK, ánh xạ Gray, SF=0.9 10 -6 -5 -4 -2 10 BER, Eb/No = 3.0dB, 40 lần lặp FER, Eb/No = 3.0dB, 40 lần lặp BER, Eb/No = 3.0dB, 20 lần lặp FER, Eb/No = 3.0dB, 20 lần lặp BER, Eb/No = 2.0dB, 40 lần lặp FER, Eb/No = 2.0dB, 40 lần lặp BER, Eb/No = 2.0dB, 20 lần lặp FER, Eb/No = 2.0dB, 20 lần lặp -3 10 -4 -3 -2 -1 10 -6 -5 -4 -3 -2 -1 Sai sè Eb/No, dB véc-tơ thích hợp thỏa mãn phương trình kiểm tra, vi iu Mà LDPC(240,120), điều chế 4PSK, ánh xạ Gray, SF=0.8 -1 10 -2 -3 tức xác suất hậu nghiệm cho bít đơn để phép kiểm tra liên -4 -6 Đầu vào: ma trận kiểm tra H , xác suất hậu nghiệm kênh -2 10 BER, Eb/No = 3.0dB, 40 lần lặp FER, Eb/No = 3.0dB, 40 lần lặp BER, Eb/No = 3.0dB, 20 lần lặp FER, Eb/No = 3.0dB, 20 lần lặp BER, Eb/No = 2.0dB, 40 lần lặp FER, Eb/No = 2.0dB, 40 lần lặp BER, Eb/No = 2.0dB, 20 lần lặp FER, Eb/No = 2.0dB, 20 lần lặp -5 -4 -3 -3 10 -4 -2 -1 Sai sè Eb/No, dB Tóm tắt thuật tốn: Mà LDPC(240,120), điều chế 4PSK, ánh xạ Gray, SF=0.7 -1 10 quan đến bít thỏa mãn 10 -6 BER, Eb/No = 3.0dB, 40 lần lặp FER, Eb/No = 3.0dB, 40 lần lặp BER, Eb/No = 3.0dB, 20 lần lặp FER, Eb/No = 3.0dB, 20 lần lặp BER, Eb/No = 2.0dB, 40 lần lặp FER, Eb/No = 2.0dB, 40 lần lặp BER, Eb/No = 2.0dB, 20 lần lặp FER, Eb/No = 2.0dB, 20 lần lặp -5 -4 -3 -2 -1 Sai sè Eb/No, dB Hình 2-14 Ảnh hưởng sai số ước lượng tỷ Hình 2-15 Ảnh hưởng sai số ước lượng tỷ lệ tín tạp (SF=0,8) lệ tín tạp (SF=0,7) Quan sát hình vẽ, tới số nhận xét: Khi không sử dụng pi (x) P(ci x | ri ) số lần lặp lớn Q hệ số SF (tương ứng với SF=1) đáy đường cong BER FER Khởi tạo: Đặt qmi ( x) pi ( x) cho tất cặp (m, i) có H (m, i) theo sai số ước lượng SNR hẹp Điều cho thấy sai số ước Bước tính theo chiều ngang: Với cặp có H (m, i) , tính lượng SNR ảnh hưởng xấu tới chất lượng giải mã thuật toán qml qml (0) qml (1) SPA.Khi có sử dụng hệ số SF để điều chỉnh thông tin trao đổi rmi q mi ' i ' Nm,i Tính rmi (1) (1 rmi ) / rmi (0) (1 rmi ) / Bước tính theo chiều dọc: Với cặp (m, i) có H (m, i) , tính: (2.1) 10 10 10 lệ tín tạp (SF=0,9) 10 P(ci | r, thỏa mÃn tất phép kiểm tra liên quan bÝt ci ) lệ tín tạp (SF=1) T ỷ l ệ lỗ i b v lỗ i t õ m · tìm kiếm từ mã có bít ci có xác suất tối đa: Hình 2-13 Ảnh hưởng sai số ước lượng tỷ 10 T ỷ lệ lỗ i b v lỗ i tõ m · việc tìm kiếm tồn 2k từ mã Thay vào đó, giải mã cố gắng Hình 2-12 Ảnh hưởng sai số ước lượng tỷ kiện nhận chuỗi thu r r1 , r2 , , rn Tuy nhiên độ phức tạp giải mã giải mã tối ưu mã ngẫu nhiên hàm mũ k , đòi hỏi Sai sè Eb/No, dB vòng lặp (tương ứng với SF