Nghiên cứu khoa học công nghệ KỸ THUẬT XÁO TRỘN MỚI CHO HỆ THỐNG BICM-ID OFDM

KỸ THUẬT XÁO TRỘN MỚI CHO HỆ THỐNG BICM-ID OFDM Đinh Thế Cường1, Trần Anh Thắng 2,*, Phạm Xuân Nghĩa3 Tóm tắt: Việc kết hợp sơ đồ điều chế mã có xáo trộn bít kết hợp với giải mã lặp BI

KỸ THUẬT XÁO TRỘN MỚI CHO HỆ THỐNG BICM-ID OFDM

Đinh Thế Cường1, Trần Anh Thắng 2,*, Phạm Xuân Nghĩa3

Tóm tắt: Việc kết hợp sơ đồ điều chế mã có xáo trộn bít kết hợp với giải mã

lặp BICM-ID với kỹ thuật truyền dẫn OFDM cho khả năng truyền dẫn tốc độ cao với hiệu quả lớn Để phù hợp với thực tiễn, việc kết hợp này một mặt phải phù hợp với hệ thống thực OFDM, mặt khác phải phát huy hiệu quả của sơ đồ

BICM-ID Kỹ thuật xáo trộn bít là một khâu quan trọng của sơ đồ BICM-BICM-ID Để tạo ra một bộ xáo trộn bít sao cho vừa phù hợp với thiết kế hệ thống OFDM vừa đảo bảo hiệu quả của sơ đồ BICM-ID là cần thiết Bài báo này đề xuất một kỹ thuật xáo trộn mới dựa trên kỹ thuật xáo trộn khối, phù hợp với thiết kế hệ thống thực đồng thời vẫn cho hiệu quả cao Kết quả mô phỏng dựa trên mô hình truyền dẫn IEEE 802.11 cho thấy kỹ thuật xáo trộn này mặc dù đơn giản nhưng vẫn cho hiệu quả truyền dẫn cao tương đương với kỹ thuật truyền dẫn phức tạp Golden interleaving

Từ khóa: Viễn thông; BICM-ID OFDM; Chuẩn IEEE 802.11; Xáo trộn khối (Block Interleaving); Golden interleaving

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những năm gần đây, OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần, có thể truyền dẫn tốc độ cao cùng với khả năng chống lại pha đinh chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp Các hệ thống thực tế sử dụng

kỹ thuật OFDM được kể đến như: hệ thống DVB-T (1995), HIPERLAN II (1999), các chuẩn Wifi IEEE 802.11, các chuẩn của Wimax IEEE 802.16, và đặc biệt là chuẩn LTE dành cho hệ thống di động 4G hiện nay

Sơ đồ điều chế mã có xáo trộn bít kết hợp với giải mã lặp BICM-ID (Bit-interleaved coded modulation with iterative decoding), được đề xuất lần đầu trong bài báo [1] với cấu trúc liên kết điều chế /mã (CM: Coded Modulation) phát huy hiệu quả cao cả trên kênh pha - đinh nhờ có xáo trộn dãy bit (BI: Bit Interleved) và cả trên kênh Gao - xơ nhờ nguyên lý giải mã lặp (ID: Iterative Decoding) Chất lượng của hệ thống BICM-ID có thể

so sánh với hệ thống Turbo kết hợp kỹ thuật điều chế mã lưới (Turbo Trellis Coded Modulation - TTCM) [2] Hơn nữa, với hệ thống BICM-ID chỉ cần một bộ giải mã thông tin đầu vào mềm – đầu ra mềm SISO (Soft Input – Soft Output), trong khi trong hệ thống TTCM lại yêu cầu hai bộ Việc kết hợp sơ đồ BICM-ID với kỹ thuật truyền dẫn OFDM sẽ cho hiệu quả cao và đã được chỉ ra trong các bài báo [3-6]

Đối với sơ đồ BICM-ID và các hệ thống sử dụng giải mã lặp (như hệ thống turbo), kỹ thuật xáo trộn bít cũng rất quan trọng, có nhiều nghiên cứu đưa ra các kỹ thuật xáo trộn phức tạp nhằm đem lại hiệu quả tốt nhất cho hệ thống nhưng lại khó thực hiện trong thực tế Còn với các hệ thống thực tế sử dụng OFDM đã trình bày ở trên, các kỹ thuật xáo trộn chủ yếu dùng xáo trộn khối nhằm phù hợp với linh kiện thực tiễn là các bộ nhớ

và ghi dịch nên hiệu quả không cao Do vậy, để kết hợp BICM-ID với OFDM thì yêu cầu thiết kế bộ xáo trộn bít cần phải thỏa mãn vừa cho hiệu quả cao và vừa phù hợp với

hệ thống hiện hành Bài báo này đưa ra một kỹ thuật xáo trộn mới dựa trên kỹ thuật xáo trộn khối, bộ xáo trộn mới được tạo ra theo cấu trúc xác định, có thuật toán, phù hợp với yêu cầu thiết kế hệ thống và không phức tạp hơn cấu trúc đang sử dụng cho các hệ thống thực tế mà vẫn đem lại hiệu quả như các kỹ thuật xáo trộn phức tạp nhằm áp dụng cho

hệ thống BICM-ID OFDM

Trọng tâm của bài báo bao gồm phân tích hệ thống, giới thiệu kỹ thuật xáo trộn mới phù hợp thực tiễn, mô phỏng và đánh giá kỹ thuật xáo trộn này Cấu trúc của bài báo gồm phần đặt vấn đề, phần 2 là về hệ thống BICM-ID OFDM với giải mã lặp mềm, phần 3 giới thiệu về kỹ thuật xáo trộn mới, các kết quả mô phỏng và so sánh với kỹ thuật xáo trộn Golden interleaving [7] được chỉ ra ở phần 4 Cuối cùng là phần kết luận

2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG

Mô hình hệ thống BICM-ID OFDM được trình bày trong hình 1

Hình 1 Hệ thống BICM-ID OFDM

thành một liên kết nối tiếp, sau đó chúng được đưa vào khối OFDM để phát đi Ở đầu thu, sau khi qua khối OFDM thu, các tín hiệu được đưa tới một vòng hồi tiếp giữa bộ giải điều chế xáo trộn/giải xáo trộn và giải mã để giải mã theo thuật toán lặp

Trong hệ thống BICM-ID, bộ mã hoá thường dùng mã xoắn tốc độ k/n, với nhóm k bit

1 2 [ ,c c ]c n



1 2

i  v v i i v i

chia làm Q chuỗi thành phần song song và được điều chế bởi Q sóng mang phụ OFDM

 

1

1 0

Q P

j f t pT

p q





 

symbol OFDM thứ p (của tập gồm có P chuỗi symbol OFDM phát),

* Q

N

m

OFDM

Qua kênh truyền, tín hiệu nhận được ở đầu thu là:

Giải mã SISO

ˆt

c

ˆt

u

Mã hoá

Giải xáo trộn

Xáo trộn Thông

tin vào

t

u

t

t

r

Điều chế

Giải điều chế

t

v

ˆt

v

OFDM Transmitter

OFDM Receiver Xáo trộn

Thông

tin ra

Kênh truyền

( )

p

x t

( )

p

y t

Trong đó, h t( ) là hệ số pha đinh, n t( ) là tạp âm cộng trắng chuẩn (AWGN) Trong

lặp của hệ thống BICM-ID tại đầu thu, phần này có thể dùng thuật toán giải mã quyết định

cứng hoặc quyết định mềm, được trình bày cụ thể trong [5-6]

Hình 2 Nguyên lý giải mã quyết định mềm

Đối với hệ thống BICM-ID dùng giải mã quyết định mềm (hình 2), bộ giải mã theo

nguyên lý đầu vào mềm, đầu ra mềm (SISO), thay vì dùng bộ giải mã Viterbi như trong hệ

thống quyết định cứng, và bộ giải điều chế cũng hoạt động theo nguyên lý giải điều chế

(giả thiết giá trị ban đầu của thông tin tiên nghiệm), xác suất hậu nghiệm của các bit mã

cũng được tính theo:

k

s S

 



Đây là số đo của các bit được tính toán tại bộ giải điều chế trên cơ sở tín hiệu thu được

từ kênh thông tin (thông qua khối OFDM) Các số đo này thực chất là các giá trị xác suất

hậu nghiệm được tính theo tiêu chuẩn xác suất hậu nghiệm cực đại (MAP - Maximum A

Giá trị xác suất trên với vai trò là thông tin ngoài (extrinsic information), qua bộ giải

xáo trộn trở thành thông tin tiên nghiệm cho bộ giải mã SISO Trên cơ sở đó, bộ giải mã

SISO sẽ tính được xác suất hậu nghiệm (a posteriori probability) và qua vòng hồi tiếp trở

thành thông tin tiên nghiệm cho bộ giải điều chế để tính lại số đo bit Với bộ xáo trộn lý

1

1

m

k



Khi đó, có thể tính được thông tin ngoài cho vòng lặp tiếp như sau:

( | ) ( )

k

k

i i

s S k

i k

s S

P r s P s

P v b r









1



P c I

Giải mã SISO

t

r

ˆt

u

Giải điều chế



P v o

Quyết định

P u o

P c o P v I( ; )k

Trong (5), ta thấy số đo của bit k là P v ( k  b o ; ) được tính trên cơ sở các giá trị xác

một số vòng lặp nhất định, bộ giải mã SISO sẽ đưa thông tin ngoài chính là tổng các xác suất hậu nghiệm tới bộ quyết định cứng để cho kết quả là dãy bit thông tin ra

Các sơ đồ BICM-ID trong thực tế chủ yếu sử dụng sơ đồ giải mã quyết định mềm và giải điều chế mềm theo thuật toán Log-MAP Thuật toán này được xây dựng cho giải mã Turbo, thực hiện tính tỷ lệ hợp lẽ trong miền log cho từng bít, ký hiệu là LLR (Log Likelihood Ratio), dựa vào phép toán lấy log của tổng của các hàm mũ nên có số lượng phép tính rất lớn Để đơn giản hơn, người ta thường dùng hàm Jacobian để biến thuật toán Log-MAP thành thuật toán Max-Log-MAP Tuy ít bị ảnh hưởng hơn đối với sai số ước lượng SNR, việc lấy xấp xỉ theo hàm Jacobian làm cho Max-MAP thua kém Log-MAP về chất lượng giải mã Trong hệ thống BICM-ID, với thuật toán Max-Log-Log-MAP thì

số lượng phép tính trong giải mã lặp được giảm đi đáng kể

3 THIẾT KẾ BỘ XÁO TRỘN MỚI 3.1 Mục đích thiết kế

Theo phân tích tại công thức (5), việc quyết định giá trị một bít trong symbol tín hiệu không chỉ dựa vào giá trị của bít đó mà còn dựa vào các bít khác cùng symbol Chính vì vậy, mục đích cho việc thiết kế bộ xáo trộn này được tính toán sao cho vị trí các bít trong cùng 1 symbol đảm bảo cách xa nhau để khi một trong số các bít tại vị trí có điều kiện kênh tốt, thông qua giải mã lặp, sẽ nâng các giá trị (mềm) của bít khác lên trước khi đến

bộ quyết định giá trị symbol

3.2 Thiết kế bộ xáo trộn

Kỹ thuật xáo trộn này dựa trên kỹ thuật xáo trộn khối, độ dài bít xáo trộn phải chia hết cho (4*m), được chia làm các bước:

Bước 1: Phân chia chuỗi xáo trộn

Chuỗi bít được chia làm 2 phần được gọi là phần đầu và phần đuôi (phần đầu dài 3/4 , phần đuôi dài ¼)

Bước 2: Thực hiện xáo trộn cho từng phần

- Phần đầu được xếp thành khối ma trận với m hàng tương ứng m bít/symbol điều chế

và c cột Hàng 1 sẽ là các bít thứ 1 của các symbol m bit (dịch vòng (0/m)*c sang phải), hàng thứ 2 là các bít thứ 2 của các symbol này nhưng được dịch vòng sang phải (1/m)*c vị trí (1/m số cột), hàng thứ 3 là các bít thứ 3 và dịch vòng sang phải (2/m)*c, tương tự với

các hàng tiếp theo Ví dụ với symbol 4 bít: hàng 1 gồm các bít thứ 1, 5, 9, …; hàng 2 gồm bít thứ 2, 6, … và dịch vòng sang phải ¼ tổng số cột; hàng 3 gồm bít thứ 3, 7, … và dịch

vòng 2/4; ) Khoảng cách lớn nhất giữa các bít trong một symbol là: (1+1/m)c vị trí (c=3N/4m)

- Phần đuôi của chuỗi bít (1/4 chuỗi) cũng được làm tương tự xếp thành khối và thực

hiện dịch tương tự như phần đầu Khoảng cách lớn nhất giữa các bít trong một symbol là:

(1+1/m)c’ vị trí (c’=N/4m)

Bước 3: Tăng khoảng cách xáo trộn

Thực hiện đảo một phần cuối của phần đuôi cho hàng thứ 3 phần đầu (số bít là 1/m của

¾ chuỗi bít)

Kỹ thuật này dựa trên xáo trộn khối nên chỉ đơn giản là việc xắp xếp các bít theo khối, dịch vòng vị trí bít, vì vậy nó không phức tạp hơn kỹ thuật xáo trộn khối thông thường đồng thời phù hợp với yêu cầu thiết kế hệ thống thực (gồm các bộ ghi dịch và bộ nhớ)

Đồng thời, việc xáo trộn và dịch vòng được tạo ra theo quy luật và cấu trúc xác định, điều

đó có nghĩa là nó có thuật toán xác định

4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 4.1 Thông số mô phỏng và công cụ mô phỏng

Hệ thống được xây dựng ở trên được các tác giả mô phỏng bằng phần mềm MATLAB

Với các thông số ban đầu của cho hệ thống OFDM theo chuẩn 802.11 (a và ac) được cho

trong tài liệu [8] với điều chế 16QAM, tốc độ mã hóa (coderate) là ½ sử dụng mã xoắn [7,

171, 133] (hệ octal) Các luật điều chế (bộ ánh xạ) dùng để mô phỏng là: phân hoạch tập (Set Partitioning), luật Gray, luật bình phương trọng số Ơ-cơ-lít cực đại MSEW (Maximum Squared Euclidean Weight) như hình 3 Kênh truyền để đánh giá sử dụng kênh

gao-xơ và kênh fading đa đường theo mô hình kênh Tapped Delay Line (TDL) trong tài

liệu [9] và thông số kênh theo tài liệu TGn [10], với số vòng lặp cho hệ thống là 6 vòng

a) b) c)

Hình 3 Các luật ánh xạ: Set Partitioning (a); Gray (b); MSEW (c)

4.2 Các kết quả mô phỏng và thảo luận

#) Xác định và đánh giá độ dài tối ưu của kỹ thuật xáo trộn

Để xác định chất lượng và hiệu quả (thể hiện ở giá trị tỷ số lỗi bít BER – Bit Error Rate) cho kỹ thuật xáo trộn đề suất, tác giả đi khảo sát với từng mức năng lượng bít

ở hình 4a, 4b

Hình 4 Khảo sát độ dài xáo trộn cho từng bộ ánh xạ

và 6dB, khi tăng độ dài bít xáo trộn thì giá trị BER không thay đổi Như vậy, với 2 ánh xạ này thì độ dài xáo trộn không ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Nhưng với ánh xạ

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

Do dai khoi xao tron (bit)

Khao sat do dai New-Inter (802.11, 6lap)

Gray mapping,4dB Gray mapping,5dB Gray mapping,6dB Set Partition, 4dB Set Partition, 5dB Set Partition, 6dB

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

X: 6144 Y: 1.444e-005

Do dai khoi xao tron (bit)

X: 768 Y: 0.1085

Khao sat do dai New-Inter (802.11, 6lap)

MSEW mapping,6dB MSEW mapping,6,25dB MSEW mapping,6,5dB Set Partition, 6dB Gray mapping,6dB

MSEW (hình 4b), cùng với mức Eb/ N0 6,5 dB, với độ dài chuỗi xáo trộn là 768 bít, tỷ

quả hệ thống, hơn nữa, bộ ánh xạ này cho chất lượng tốt hơn 2 bộ ánh xạ trên

Như vậy, độ dài chuỗi bít xáo trộn càng lớn thì chất lượng hệ thống càng tăng, khi độ dài chuỗi bít xáo trộn đạt khoảng 6144 bít thì chất lượng hệ thống không tăng được hơn nhiều vì

độ phân tập thời gian đã đạt đến mức bão hòa, đây sẽ là độ dài tối ưu của bộ xáo trộn này

#) Đánh giá hiệu quả của kỹ thuật xáo trộn

Để đánh giá hiệu quả của kỹ thuật xáo trộn mới, bài báo so sánh hiệu quả của kỹ thuật xáo trộn này với hai kỹ thuật xáo trộn đại số khác dùng cho mã Turbo cho trong tài liệu [7]

là Relative Prime và Dithered golden interleaver và được thể hiện trong kết quả mô phỏng

là GoldenInter0 và GoldenInter1 tương ứng

Hình 5 So sánh hiệu quả của kỹ thuật xáo trộn mới với kỹ thuật xáo trộn Golden[7] trên

kênh Gao - xơ với từng tập ánh xạ điều chế, độ dài xáo trộn 6144 bit

Dựa trên kết quả về độ dài xáo trộn hiệu quả, độ dài chuỗi xáo trộn là 6144 bít, hình 5 cho kết quả đánh giá giữa kỹ thuật xáo trộn mới với kỹ thuật xáo trộn ở [7] Với ánh xạ gray (hình 5a), các kỹ thuật xáo trộn không thể hiện sự khác biệt Với ánh xạ phân hoạch

lớn Với ánh xạ MSEW (hình 5b), kỹ thuật xáo trộn khối đề suất tốt hơn kỹ thuật xáo trộn

Relative Prime và tương đương với Dithered golden interleaver Trên hình này cũng cho ta

thấy rằng kỹ thuật xáo trộn đề suất cho chất lượng tốt hơn nhiều so với việc sử dụng kỹ thuật xáo trộn khối của chuẩn 802.11 (được biểu thị bằng đường Wifi-Inter)

Hình 6 So sánh hiệu quả của kỹ thuật xáo trộn mới đối với kỹ thuật xáo trộn Golden [7]

trên kênh fading, độ dài xáo trộn 6144 bit

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

EbNo

BICM-ID OFDM,AWGN, 16QAM (802.11,6lap)

Set Partition,GoldenInter 0 Set Partition, New-Inter Set Partition, Wifi-Inter Gray Mapping,GoldenInter 0 Gray Mapping,GoldenInter 1 Gray mapping, New-Inter Gray mapping, Wifi-Inter

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

EbNo

BICM-ID OFDM,AWGN, 16QAM (802.11,6lap)

MSEW Mapping, WifiInter, MSEW Mapping, NewInter MSEW Mapping, GoldenInter 0 MSEW Mapping, GoldenInter 1

0 5 10 15 20 25 30

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

10 0

EbNo

BICM-ID OFDM,Fading(model C),ZF, 16QAM (802.11,6lap)

SetPart mapping, NewInter SetPart mapping, GoldenInter 0

0 5 10 15 20 25 30

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

EbNo

BICM-ID OFDM,Fading(model C),ZF, 16QAM (802.11,6lap)

Gray mapping, NewInter Gray mapping, GoldenInter 0

Khi thực hiện đánh giá kỹ thuật xáo trộn trên kênh fading theo mô hình kênh C (model C) cho trong tài liệu [10], san bằng kênh (equalizer) được thực hiện dựa trên thuật toán san bằng kênh cưỡng ép về 0 - ZF (Zero Forcing) với thông tin kênh là hoàn hảo Các kết quả đều cho thấy các kỹ thuật xáo trộn này đều cho kết quả tương tự như kênh Gao - xơ, tuy nhiên chất lượng hệ thống không thể hiện nổi bật về bản chất như kênh Gao - xơ do bài báo chỉ sử dụng cân bằng kênh ZF đơn giản

5 KẾT LUẬN

Các bộ xáo trộn cho ở tài liệu [7] là bộ xáo trộn đại số được thiết kế cho mã Turbo cho hiệu quả cao nhưng vẫn dừng ở góc độ lý thuyết mà chưa thể áp dụng vào thực tiễn do độ phức tạp của nó Trong khi đó, các hệ thống OFDM thực hiện nay đề sử dụng các bộ xáo trộn khối nhờ sự đơn giản trong thiết kế hệ thống Bài báo này đã đề suất một bộ xáo trộn

mới, với việc thiết kế kỹ thuật xáo trộn dựa trên xáo trộn khối, nó cho phép sử dụng phù

hợp cho hệ thống thực mà vẫn cho hiệu quả cao tương đương với bộ xáo trộn phức tạp

Nói một cách khác là nó có ý nghĩa thực tiễn rất lớn do bộ xáo trộn đề suất vẫn đảm bảo

hiệu quả của sơ đồ BICM-ID đồng thời vẫn phù hợp với thiết kế hệ thống OFDM hiện nay Ngoài ra, dựa vào các kết quả mô phỏng, để đạt được hiệu quả cao nhất thì độ dài chuỗi bít cần từ khoảng 6144 bít trở lên và bộ ánh xạ cho hiệu quả cao là MSEW

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Li and J A Ritcey, “Bit-interleaved coded modulation with iterative decoding,”

IEEE Commun.Lett., vol 1, pp 169–171, Nov 1997

[2] X Li, A Chindapol, and J A Ritcey, “Bit-Interleaved Coded Modulation With

Iterative Decoding and 8PSK Signaling”, IEEE TRANSACTIONS ON

COMMUNICATIONS, VOL 50, NO 8, AUGUST 2002, pp 1250-1257

[3] N F Kiyani and J H Weber, "OFDM with BICM-ID and Rotated MPSK

Constellations and Signal Space Diversity," 2007 14th IEEE Symposium on

Communications and Vehicular Technology in the Benelux, Delft, 2007,pp.1-4

[4] N H Tran, H H Nguyen and T Le-Ngoc, "Bit-Interleaved Coded OFDM With

Signal Space Diversity: Subcarrier Grouping and Rotation Matrix Design," in IEEE

Transactions on Signal Processing, vol 55, no 3, pp 1137-1149, March 2007

[5] Đ.C.Hùng, Đ.T.Cường, N.Q.Bình: “Nâng cao chất lượng hệ thống OFDM bằng

BICM-ID,” Tạp chí Bưu chính viễn thông, Chuyên san Các công trình nghiên cứu –

triển khai viễn thông và công nghệ thông tin, 02.2007

[6] Phạm Xuân Nghĩa, Trần Anh Thắng,“Đánh giá hiệu quả sử dụng sơ đồ BICM-ID cho

truyền dẫn OFDM và chuẩn 802.11“, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc

san ACMEC , 07 – 2016, pp 112-119

[7] Crozier, S.N., Lodge, J., Guinand, P and Hunt, A (1999) “Performance of Turbo

codes with Relative Prime and Golden Interleaving Strategies”, Proceedings of Sixth

International Mobile Satellite Conference, Ottawa, Canada

[8] IEEE Standard for Information technology “Telecommunications and information

exchange between systems Local and metropolitan area networks,” Specific

requirements, IEEE Std 802.11™-2 2012

[9] Yong Soo Cho et al”MIMO-OFDM WIRELESS COMMUNICATIONS WITH

MATLAB”, IEEE press, 2010

[10] IEEE P802.11 ”Wireless LANs TGn Channel Models” (doc:IEEE 802.11-03/940r4),

May 2004