NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÃ TURBO VÀO HỆ THỐNG HẠ TẦNG TRUYỀN THÔNG TRÊN CAO

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÃ TURBO VÀO HỆ THỐNG HẠ TẦNG TRUYỀN THÔNG TRÊN CAO Hệ thống hạ tầng truyền thông trên cao – High Altitude Platform (HAP) được quan tâm nhiều trong những năm gần đây cho thấy nhu cầu và tính khả dụng của nó trong việc xây dựng và hình thành mạng truyền thông mới, nhằm khắc phục những hạn chế của các mạng viễn thông hiện tại (mạng thông tin di động mặt đất, hệ thống thông tin vệ tinh,…).

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

Dương Đình Trường

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÃ TURBO VÀO

HỆ THỐNG HẠ TẦNG TRUYỀN THÔNG TRÊN CAO

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2013

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Lê Nhật Thăng

Phản biện 1: ………

Phản biện 2: ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Hệ thống hạ tầng truyền thông trên cao – High Altitude Platform (HAP) được quan tâm nhiều trong những năm gần đây cho thấy nhu cầu và tính khả dụng của nó trong việc xây dựng và hình thành mạng truyền thông mới, nhằm khắc phục những hạn chế của các mạng viễn thông hiện tại (mạng thông tin di động mặt đất,

hệ thống thông tin vệ tinh,…)

HAP cho phép triển khai dễ dàng và nhanh chóng, có khả năng cấu hình lại, hoạt động chi phí thấp, trễ truyền dẫn thấp, vùng phủ sóng rộng, có khả năng truyền thông quảng bá đa hướng, có khả năng di chuyển theo nhiều hướng trong trường hợp khẩn cấp,… Một đặc điểm quan trọng khác của hệ thống HAP là khi các hệ thống mặt đất cần một số lượng lớn các trạm gốc để phủ sóng, hệ thống thông tin vệ tinh GEO lại bị giới hạn về kích thước ô tối thiểu chiếu lên mặt đất, và các vệ tinh quỹ đạo thấp LEO gặp phải vấn đề chuyển giao, thì HAP lại được xem là giải pháp hứa hẹn: nó có thể đảm nhiệm với vai trò là trạm gốc hoặc các nút chuyển tiếp, thậm chí có thể là một vệ tinh LEO rất hiệu quả

Mã Turbo được C Berrou et.al giới thiệu vào năm 1993, loại mã này có đặc tính sửa lỗi gần với giới hạn Shannon trên kênh nhiễu trắng cộng Gauss-AWGN (Additive White Gaussian Noise) Với kỹ thuật giải mã lặp khá hiệu quả nên mã Turbo đã được ứng dụng cho các mạng thông tin di động 3G, 4G…

Với những ưu điểm của mã Turbo, việc nghiên cứu, ứng dụng mã này cho hệ thống HAP nhằm nâng cao hiệu quả, độ tin cậy cho hoạt động của hệ thống này là hết sức cần thiết và có ý nghĩa khoa học rất lớn, góp phần nâng cao hơn nữa những

ưu điểm mà hệ thống HAP mang lại Chính vì vậy, tôi đã lựa chọn đề tài nghiên cứu này làm luận văn Thạc sỹ của mình

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Phó Giáo sư, Tiến sỹ Lê Nhật Thăng, người đã luôn động viên và chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình thực hiện luận văn Cũng qua đây tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, các cô cùng các bạn học viên đã tạo điều kiện và giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình

Hà Nội, ngày tháng 9 năm 2013

Dương Đình Trường

CHƯƠNG 1 - MÃ TURBO VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Giới thiệu

Mã Turbo (Turbo Code) là mã chập kết nối song song, đây là một loại mã hóa sửa sai rất hiệu quả đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các mạng truyền thông hiện nay Mã Turbo lần đầu tiên được giới thiệu bởi C.Berrou, A.Glavieux và P.Thitimajshima vào năm 1993 Mã Turbo được nghiên cứu toàn diện vào năm

1996 và kết quả là đạt gần đến giới hạn được Shannon ở trong kênh nhiễu trắng cộng (AWGN-Addition White Gussian Noise) với bộ ghép xen có kích thước lớn

Bộ giải mã Turbo cơ bản bao gồm 2 bộ giải mã được nối nối tiếp qua bộ giải ghép xen với một đường hồi tiếp từ ngõ ra của bộ thứ 2 đến ngõ vào của bộ giải mã thứ 1

Kỹ thuật giải mã lặp dựa trên thuật toán hậu nghiệm tối đa (MAP-Maximum A Posteriori) kết hợp với bộ giải mã đầu vào mềm, đầu ra mềm (SISO-Soft In Soft Out) giúp cho mã Turbo có khả năng chống lỗi cao với độ phức tạp giải mã vừa phải tại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR-Signal to Noise Ratio) rất thấp

1.2 Lịch sử ra đời của mã Turbo

Năm 1993, tại hội nghị truyền thông quốc tế, Berrou và các cộng sự đã đưa

ra bộ mã được xây dựng trên cơ sở kết nối song song hai bộ mã chập hệ thống đệ quy RSC (Recursive Systematic Convolutional)

Các điểm chính của mã Turbo gồm: Bộ giải mã soft in-soft output, hồi tiếp, giải mã lặp, quá trình truyền của thông tin trong, thông tin ngoài, bộ nối song song

và bộ ghép xen Berrou và các cộng sự của ông đã lựa chọn xây dựng các khối này trong quá trình xử lý để thử những sai sót gây ra nhằm tối ưu hóa để đạt giới hạn của Shannon Như vậy, mã Turbo là loại mã kênh sửa lỗi trước (FEC-Forward Error Correction) được được tạo ra bằng cách ghép nối các bộ mã chập hệ thống đệ quy

1.3 Bộ mã hóa Turbo

1.3.1 Tổng quan

Như chỉ ra ở Hình 1.1, bộ mã hóa Turbo bao gồm hai bộ mã hóa thành phần được phân tách bởi một bộ ghép xen Hai bộ mã hóa thành phần gồm RSC1 và

RSC2 là hai bộ mã chập hệ thống đệ quy với tốc độ mã r 1 =k/n 1 và r 2 =k/n 2 Bằng việc tách (Puncturing) hợp lý các bit chẵn lẻ tạo ra từ các bộ mã hóa thành phần, chúng ta có thể có được mã với tốc độ mong muốn

(Không dùng)

Các bit chẵn lẻ

Các bit hệ thống C 1

k,s

Hình 1.1: Sơ đồ khối bộ mã hóa Turbo

Tốc độ mã Turbo là r được xác định bằng công thức sau:

r = k/(n 1 + n 2 - k) = (1/r 1 + 1/r 2) – 1 (1.1)

1.3.2 Bộ mã chập hệ thống đệ quy (RSC)

Mã chập được P.Elias giới thiệu vào năm 1955 như một sự thay thế cho các

mã khối đang tồn tại Mã chập sử dụng một thanh ghi dịch tuyến tính để đưa phần

dư vào luồng số liệu với thuật giải mã SOVA khá đơn giản Khả năng chống lỗi của

mã chập tăng lên khi tăng số lượng các bộ nhớ thành phần Tuy nhiên, vấn đề này lại dẫn đến độ phức tạp của bộ giải mã sẽ tăng theo hàm mũ

Các thông số đặc trưng của mã RSC là số bít đầu vào "k", số bít đầu ra "n" (trong đó k<n) và chiều dài giới hạn (Constraint lengths) "K" Bộ mã RSC thường

được diễn tả bởi đa thức sinh G=[1, g2/g1], trong đó g1 là đa thức hồi tiếp và g2 là

đa thức đại diện cho tính chẵn lẻ

1.3.3 Bộ ghép xen (Interleaver)

Ghép xen là một thành phần thiết yếu của mã Turbo, các nghiên cứu cho thấy hiệu năng của mã Turbo phụ thuộc vào độ dài và kiểu ghép xen được sử dụng vì cấu trúc bộ ghép xen có ảnh hưởng trực tiếp đến thuộc tính khoảng cách của các mã Turbo Trong mã Turbo người ta đã chứng minh được rằng tỷ lệ lỗi bit tỷ lệ nghịch

với kích thước của bộ ghép xen (N)

1.3.3.1 Bộ ghép xen giả ngẫu nhiên

1.3.3.2 Bộ ghép xen UMTS

1.3.4 Kỹ thuật xóa (Puncture)

Việc sử dụng kỹ thuật Puncture chúng ta có thể đạt được tốc độ mã hóa khác nhau bằng cách bỏ bớt các bit trong chuỗi xpk1 và xpk2 tương ứng với đầu ra của bộ

mã hóa thành phần thứ nhất (ENC1) và bộ mã hóa thành phần thứ 2 (ENC2)

1.3.5 Bộ kết thúc (Trellis)

Trái ngược với mã khối, mã chập có độ dài cố định Mã chập là một quá trình liên tục, và có thể dàn trải toàn bộ thông tin chứ không chỉ là một đoạn hay một nhóm bit Mã Turbo có độ dài khối cố định, xác định bởi chiều dài của bộ ghép xen bit Tail bits hay còn gọi là bit đuôi thường được chèn vào mỗi khối dữ liệu khi

đi vào bộ mã hóa để chuyển nó sang trạng thái 0 ở mỗi cuối của lưới mã hóa Quá trình này được gọi là quá trình kết thúc, và cho phép thuật toán MAP giả định về trạng thái bắt đầu và kết thúc của mã lưới

1.3.6 Quyết định cứng và quyết định mềm

Chuỗi tin sau khi truyền qua kênh truyền và được giải điều chế (demodulate) thì sẽ được đưa đến bộ giải mã Tín hiệu tại ngõ ra của bộ giải điều chế và ngõ vào của bộ giải mã sẽ quyết định quá trình giải mã là “ cứng ”hay “mềm ”

1.4 Bộ giải mã Turbo

Thuật toán giải mã tối ưu cho cấu trúc lưới của mã Turbo là thuật toán hợp lệ cực đại (Maximum Likelihood) Tuy nhiên, với bộ mã hóa Turbo sử dụng bộ ghép

xen giả ngẫu nhiên biểu đồ lưới của nó sẽ có rất nhiều trạng thái Điều này làm cho việc giải mã Turbo bằng thuật toán hợp lệ cực đại hết sức khó khăn và hầu như không thể thực hiện được khi kích thước bộ ghép xen lớn

Giải mã lặp là một kỹ thuật rất hiệu quả để giải mã các mã Turbo đạt được hiệu năng gần tới giới hạn lý thuyết của Shannon

1.4.1 Kiến trúc bộ giải mã Turbo

Sơ đồ khối của bộ giải mã Turbo tương ứng với bộ mã hóa Turbo ở Hình 1.1 được thể hiện ở Hình 1.5 dưới đây:

D

D

I Bộ giải mã

SISO DEC2

I

D Giải ghép xen

Ghép xen

Hình 1.5: Sơ đồ bộ giải mã Turbo

Các thuật toán được sử dụng trong bộ giải mã SISO có thể là thuộc họ thuật toán MAP hoặc Viterbi Tổng quan về các họ mã trên được trình bày dưới đây:

Hình 1.6: Các thuật toán giải mã dựa trên Trellis

1.4.2 Thuật toán Log-MAP

Hình 1.7: Bộ giải mã lặp Log-MAP

Giải thuật giải mã được thực hiện như sau:

Các thuật toán giải mã dựa

1 Tách tín hiệu nhận ra thành 2 chuỗi tương ứng cho bộ giải mã 1 và bộ giả

mã 2

2 Ở vòng lặp đầu tiên, thông tin a priori của bộ giải mã 1 được đưa về 0.Sau khi bộ giải mã 1 đưa ra được thông tin extrinsic thì sẽ được chèn và đưa tới

bộ giải mã 2 đóng vai trò là thông tin a priori của bộ giải mã này.Bộ giải

mã 2 sau khi đưa ra thông tin extrinsic thì vòng lặp kết thúc.Thông tin extrinsic của bộ giải mã thứ 2 sẽ được giải chèn và đưa về bộ giải mã 1 như

là thông tin a priori

3 Quá trình giải mã giải mã cứ lặp lại như vậy cho đến khi thực hiện đủ số lần lặp đã qui định

4 Sau vòng lặp cuối cùng ,giá trị ước đoán có được tính bằng cách giải chèn thông tin ở bộ giải mã thứ 2 và đưa ra quyết định cứng

1.4.3 Bộ giải mã SOVA

Bộ giải mã thành phần SOVA ước đoán chuỗi tin tức qua việc sử dụng một trong 2 luồng bit mã hóa được sinh ra bởi bộ mã hóa Turbo Hình 1.8 trình bày ngõ vào và ngõ ra của bộ giải mã thành phần SOVA

Hình1.8: Bộ giải mã thành phần SOVA

Bộ giải mã thành phần SOVA xử lý các ngõ vào (tỉ lệ logkhả năng xảy ra)

L(u) và L c y trong đó :

+ Chuỗi "a priori information" của chuỗi tin u được ký hiệu lại là L(u) cho

phù hợp với các ký hiệu đã sử dụng trong giải mã SOVA tổng quát

+ L c y là chuỗi nhận được đã qua cân bằng cũng như giải mã Log-MAP

Chuỗi y được nhận qua kênh truyền Tuy nhiên, chuỗi L(u) được sinh ra và

được lấy từ bộ giải mã thành phần SOVA có trước đó Nếu không có bộ giải mã

L c y

L(u)

SOVA

L(u’) u’

thành phần SOVA trước đó thì sau đó không có các giá trị "a priori" Vì vậy, chuỗi L(u) được khởi động đến chuỗi tất cả zero

Bộ giải mã thành phần SOVA cho ra các ngõ ra u’ và L(u’) trong đó :

+ u’ là chuỗi tin ước đoán

+ L(u’) là chuỗi thông tin posteriori

1.5 Ứng dụng của mã Turbo trong các hệ thống thông tin vô tuyến

Qua phần trình bày, phân tích ở trên có thể kết luận rằng: Mã Turbo với kỹ thuật giải mã lặp cùng bộ giải mã SISO tương ứng là loại mã có khả năng chống lỗi tốt nâng cao hiệu năng cho các hệ thống thông tin và đáp ứng được những đòi hỏi khắt khe của các loại dịch vụ nhạy cảm với thời gian như thoại, video (BER nhỏ hơn hoặc bằng 10-6) tại mức SNR rất thấp và mã Turbo đã chứng minh được sự ưu việt vượt trội hơn các mã ra đời trước nó Bên cạnh đó, mã Turbo cũng gặp phải một số hạn chế nhất định, đặc biệt là trong truyền thông không dây, cụ thể như sau:

- Đối với nhiều kênh truyền thì mô hình kênh AWGN với nhiễu tĩnh rất thích hợp Tuy nhiên, trong môi trường không dây thì thường không tĩnh do có fading của các tín hiệu truyền Fading là hậu quả bản chất vật lý của kênh truyền với độ tăng giảm biên độ là một quá trình ngẫu nhiên biễu diễn bởi một hàm mật độ xác suất và một hàm tự tương quan

Trong kênh AWGN, các bit chỉ bị tác động bởi nhiễu :

Yk = axk + nk ; với nk là nhiễu và a = 1 đối với kênh AWGN

Trong fading Rayleigh, các từ mã bị tác động bởi cả nhiễu và fading biến đổi theo thời gian trong kênh vô tuyến di động

yk = axk + nk với nk là nhiễu và a là một biến ngẫu nhiên của phân bố fading Rayleigh

Phân bố fading Rayleigh thường được sử dụng để mô tả bản chất thay đổi theo thời gian, theo thống kê của đường bao nhận được của một tín hiệu fading

phẳng, hay đường bao của một thành phần riêng lẻ trong hệ thống đa đường Phân

bố Rayleigh là một hàm mật độ xác suất cho bởi :

Kênh truyền trong truyền thông không dây có mức nhiễu cao hơn ở môi trường truyền dây Vì thế các mã kênh phải có đủ khả năng đương đầu với mức nhiễu lớn Đặc biệt nếu dùng trong công tác nghiên cứu vũ trụ thì mức nhiễu còn cao hơn nữa

Để triệt fading thì còn có nhiều cách khác nhau ví dụ như trải phổ Khi đã triệt được một phần fading và sử dụng thêm mã Turbo nữa thì chất lượng đạt được

sẽ rất cao

Ngoài ra, môi trường truyền còn luôn luôn biến đổi Ví dụ như một thuê bao điện thoại di động có thể vừa đàm thoại vừa di chuyển, môi trường truyền xung quanh cũng biến đổi, thông số môi trường cũng thay đổi Chính vì sự bất ổn định của kênh truyền mà việc tìm được một loại mã thích hợp là một việc rất khó khăn

Và đây chính là lĩnh vực ứng dụng chủ yếu của mã Turbo nhờ các đặc tính ưu việt

- Hạn chế về thời gian:

Trong truyền thông không dây thì kích thước khung truyền không được lớn vì:

* Kênh truyền không tin cậy, nếu truyền khung lớn thì tỉ lệ lỗi trong khung

sẽ cao hơn Nếu khung bị mất hay không thể khôi phục thì dữ liệu tại đầu nhận sẽ bị mất

* Do đặc tính thời gian thực nên không chấp nhận độ trễ lớn khi truyền một khung có kích thước lớn

Như vậy, với kích thước khung nhỏ thì không tận dụng được các đặc tính ưu việt của mã Turbo

- Băng thông giới hạn: Truyền thông không dây chỉ sử dụng một khoảng phổ tần số đã được phân, mỗi công ty điện thoại di động lại chỉ được phân cho một khu vực trong khoảng này để cung cấp dịch vụ cho khách hàng Như vậy băng thông rất hạn chế có nghĩa là mô hình mã hóa phải có càng ít bit dư thừa càng tốt, tức là đòi hỏi tốc độ mã cao

Trên thực tế, mã Turbo đã được nghiên cứu và ứng dụng cho truyền thông không dây như: thông tin vệ tinh, thông tin di động 3G, 4G/LTE

1.5.1 Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống di động 3G – UMTS/ WCDMA

Bộ mã Turbo được đề xuất đưa vào mô hình mô phỏng hệ thống UMTS gồm

các tham số sau: Tốc độ mã r =1/2 sử dụng hai mã RSC thành phần kết nối song song với số lượng các bộ nhớ dùng trong RSC là m=2 (hoặc m=4), bộ ghép xen giả ngẫu nhiên có kích thước N=640 với thuật toán giải mã lặp Log-MAP Kết quả cho

thấy đặc tính quan hệ BER và SNR của mã Turbo tốt hơn nhiều so với mã chập kết

nối nối tiếp ở cùng giá trị m, như chỉ ra trên Hình 1.11

Hình 1.11: Đặc tính quan hệ BER và SNR của mã Turbo và mã chập

kết nối nối tiếp với m=2, qua kênh Rayleigh tại lần lặp thứ 3 [1]

1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00

Eb/N0 in dB

Turbo code (m=2) SCCC (m=2)

1.5.2 Ứng dụng mã Turbo trong mạng 4G/LTE-Advanced

Mã Turbo được đề xuất cho 4G/LTE có tốc độ mã r=1/3 với hai bộ mã RSC thành phần 8 trạng thái (m=3) và một bộ ghép xen, sử dụng thuật toán giải mã lặp Max-log-MAP

Kết quả đánh giá hiệu năng mã Turbo trong hệ thống thống 4G/LTE được chỉ ra trên Hình 1.12

Hình 1.12: Đặc tính quan hệ BER và SNR của mã Turbo và mã chập trong

hệ thống 4G/LTE-Advanced trên kênh AWGN (a) và Rayleigh (b), SISO [1]

1.5.3 Ứng dụng mã Turbo trong thông tin vệ tinh

Trên thực tế mã Turbo đã được ứng dụng trong các vệ tinh thông tin nhằm nâng cao hiệu năng của hệ thống, đảm bảo an ninh thông tin, có thể liệt kê một số

hệ thống vệ tinh có sử dụng mã Turbo như sau: Inmarsat, SKYPLEX, iPSTAR, Satellite TV,…

Như vậy, với những ưu điểm của mình, mã Turbo đã được ứng dụng trong tất cả các mạng truyền thông từ mạng mặt đất đến mạng không gian, vũ trụ Đây là kết quả đáng lưu tâm, đã đánh giá đúng khả năng và hiệu quả của mã Turbo trong các hệ thống thông tin có tốc độ cao, đòi hỏi BER thấp Vì vậy, việc ưu tiên nghiên cứu xem xét ứng dụng mã Turbo nhằm nâng cao hiệu năng cho các mạng truyền thông mới, ra đời sau này là yêu cầu tất yếu