Ứng dụng mã turbo trong hệ thống mino

iv TÓM TẮT Tên đề tài: Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống MIMO Nơi nghiên cứu: Trường ĐH SPKT tp.HCM, khoa Điện – Điện tử Sinh viên thực hiện: Trần Công Danh Giáo viên hướng dẫn: PGS.. Để

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN CÔNG DANH

ỨNG DỤNG MÃ TURBO TRONG HỆ THỐNG MIMO

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2015

S K C0 0 4 6 6 7

ỨNG DỤNG MÃ TURBO TRONG HỆ THỐNG MIMO

i

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Trần Công Danh Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 14/08/1963 Nơi sinh: TP.HCM

Quê quán: Tiền Giang Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 358/12T Lê Đức Thọ, Gò Vấp, TP.HCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng:

kongpongcham88@gmai.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Trung cấp nghề Thời gian đào tạo từ 09/2004…… đến

Ngành học: Kỹ Thuật Điện – Điện Tử

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Môn thi Kỹ thuật Audio - Video Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 7/2010, ĐH SPKT Người hướng dẫn:

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Trần Công Danh

Tôi cảm ơn các bạn cùng khóa luôn giúp đỡ tôi trong lúc khó khăn

Cuối cùng, tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình tôi

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…

Học viên Trần Công Danh

iv

TÓM TẮT

Tên đề tài: Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống MIMO

Nơi nghiên cứu: Trường ĐH SPKT tp.HCM, khoa Điện – Điện tử

Sinh viên thực hiện: Trần Công Danh

Giáo viên hướng dẫn: PGS TS Phạm Hồng Liên

Thời gian thực hiện: Từ 23/02/2015 đến 23/08/2015

Với sự bùng nổ của Công nghệ thông tin, nhu cầu truyền dẫn dữ liệu không ngừng tăng lên và yêu cầu truyền dẫn dữ liệu ngày càng cao Tuy nhiên, với các hạn chế về năng lượng, băng thông, nhiều kỹ thuật ứng dụng mới được triển khai để khắc phục khó khăn này Một trong đó là kỹ thuật phân tập MIMO với nhiều ăn-ten phát và thu kết hợp với mã sửa sai Turbo Hệ thống đa ăn-ten thu-phát MIMO đang phát triển rộng rải trong liên lạc không dây của thế hệ thống tin di động thứ 3 (3G)

Hệ thống này áp dụng kỹ thuật phân tập, kết hợp kỹ thuật mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả phổ mà không phải tăng công suất phát hay băng thông Để giải quyết tốt các ảnh hưởng do môi trường truyền dẫn không dây

và di động, ngoài việc tận dụng ưu thế của hệ thống MIMO , luận văn nghiên cứu kết hợp mã sửa sai Turbo vào hệ thống này Kết quả nghiên cứu đã xác định các đặc trưng đem lại kết quả tốt cho hệ thống kết hợp

Các kết quả đạt được trong luận văn này như sau :

o Diễn giải cặn kẻ thuật toán giải mã tuần tự dẫn dắt đến thuật toán giãi mã Viterbi, giãi mã bằng phần mềm dựa vào các mức điện áp bit 1 và 0

o Diễn giải sơ đồ khối tiến trình giải mã Turbo trong sơ đồ khối Turbo-MIMO, đồng thời hiển thị mô phỏng cho thấy kết quả so sánh mô phỏng tốt hơn hẳn của

mã Turbo trong hệ thống MIMO

o Đề cập đến các vấn đề ảnh hưởng đến việc sửa lỗi trong hệ thống Turbo-MIMO,

cụ thể là chiều dài mã khối Ngoài ra còn nghiên cứu vấn đề dò tìm lặp, kể cả bên ngoài và giải mã

o Mô phỏng hệ thống turbo-MIMO-OFDM dùng Matlap Simulink phiên bản 2009a

v

Project title: Application of Turbo codes in MIMO systems

Place of study: HCMC University of Technical Education, Faculty of Electrical - Electronics

Students perform: Tran Cong Danh

Instructor: Assoc Dr Pham Hong Lien

Implementation period: From 23/02/2015 to 23/08/2015

With the explosion of information technology, data transmission demand keeps growing and require data transmission is increasing However, with the energy limitations, bandwidth, many new application techniques being developed to overcome this difficulty One of which is the technical diversity MIMO with multiple transmit and receive antennas combined with error proofing Turbo code Multi-antenna system transceiver bounteous developing MIMO wireless communication in the mobile communication generation 3rd (3G) This system applies the technical diversity, combining encryption techniques to increase channel capacity, improve spectral efficiency without increasing the transmit power or bandwidth To resolve possible environmental effects wireless transmission and mobile, in addition to taking advantage of MIMO systems, combined dissertation Turbo error code against this system The research results have identified the characteristics bring good results for the combined system

The results obtained in this thesis are as follows:

o Interpretation particularized sequential decoding algorithm led to Viterbi decoding algorithm, decoded by software based on the voltage level of bit 1 and 0

o Interpretation block diagram Turbo decoding process flowchart Turbo-MIMO, and displays the simulation showed comparable results much better simulation

of Turbo codes in MIMO systems

o Referring to the issues affecting the fixes in Turbo-MIMO system, namely the length of the block code Also study loop detection problem, including external and decoding

o Simulation system MIMO-OFDM using turbo-version Matlap Simulink 2009a

vi

MỤC LỤC :

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT iv

CÁC TỪ VIẾT TẮT ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH xi

DANH SÁCH CÁC BẢNG xiv

Chương 1: TỔNG QUAN 15

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 15

1.3 Mục đích đề tài : 18

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài : 18

1.5 Phương pháp nghiên cứu 18

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 19

2.1 KỸ THUẬT OFDM 19

2.1.1 Nguyên lý OFDM 19

2.1.2 Tín hiệu OFDM 20

2.1.3 Phổ của tín hiệu OFDM 20

2.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO 22

2.2.1 Các kĩ thuật phân tập 22

2.2.2 Mã Alamouti 23

2.3 MÃ HÓA TURBO 25

2.3.1 Giới thiệu về mã Turbo 25

2.3.2 Bộ mã hóa chập hệ thống đệ quy RSC 26

2.3.3 Bộ ghép đan xen 27

2.3.4 Bộ giải mã Turbo 27

2.3.5 Tổng quan về các thuật toán giải mã 28

2.4 THUẬT TOÁN MÃ HÓA và GIẢI MÃ VỚI MÃ CHẬP DỰA TRÊN TRELLIS – VITERBI 28

2.4.1 Thông số mã và cấu trúc của mã chập 29

vii

2.4.2 Đa thức được chọn 29

2.4.3 Mã hóa một chuỗi 31

2.4.4 Thiết kế Bộ mã hóa 33

2.4.5 Biểu diễn bằng biểu đồ 34

2.4.6 Mã hóa 37

2.4.7 Giải mã 38

2.4.8 Giải mã theo quyết định mềm 47

2.5 ỨNG DỤNG MÃ TURBO TRONG HỆ THỐNG MIMO 53

2.5.1 Mô hình Hệ thống 53

2.5.2 Máy phát 54

2.5.3 Phân bố sóng mang phụ 55

2.5.4 IFFT 55

2.5.5 Kênh truyền 55

2.5.6 Máy thu 56

2.5.7 FFT 56

2.5.8 Loại bỏ FEC 56

2.5.9 Giải mã Viterbi 56

2.6 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TURBO-MIMO HIỆU QUẢ CAO VỚI THIẾT LẬP DÕ TÌM LẶP VÀ GIẢI MÃ 58

2.6.1 Mô hình Hệ thống TURBO-MIMO 58

2.6.2 Định hướng hệ thống Turbo-MIMO lặp 60

2.6.3 Kết quả theo mô phỏng 63

2.6.4 Kết luận: 63

2.7 CẤU TRÖC GIẢI MÃ TURBO 65

Mã Chập Ghép Song song trong kênh MIMO : 65

Chương 3: CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 68

3.1 Kết quả mô phỏng từ phần mềm Matlab 68

3.2 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 75

3.2.1 Lưu đồ mã hóa 75

3.2.2 Lưu đồ giải mã 76

Chương 4: KẾT LUẬN 77

viii

4.1 KẾT LUẬN 774.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 77TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

ix

CÁC TỪ VIẾT TẮT

APP A posteriori probability

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng Gauss cộng BER Bit Error Rate Tốc độ lỗi bit

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

MAP Maximum A Posteriori Phương Pháp hậu nghiệm tối

đa MIMO Multi-input Multi-output Đa ngõ vào đa ngõ ra

MISO Multi-input Single-output Đa ngõ vào một ngõ ra

ML Maximum Likelihood Khả năng lớn nhất

MMSE Minimum Mean-squares Lỗi bình phương trung bình

error nhỏ nhất LOS Light of sight Đường truyền thẳng

Pdf Probability density function Hàm mật độ xác suất

RSC Recursive systematic convolutional Mã chập có tính hệ thống đệ

quy SOVA Soft Output Viterbi Algorithm

SIMO Single-input Multi-output Một ngõ vào, đa ngõ ra SISO Single-input Single-output Một ngõ vào một ngõ ra

SISO Soft Input Soft Output Bộ giải ngõ vào mềm ngõ ra

mềm SNR Signal Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

x

SM Spatial Multiplexing Đa hợp không gian

STC Space-Time Coding Mã hóa không gian thời gian SVD Singular Value Decomposition Phân chia giá trị đơn

xi

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát N ăn-ten phát và M ăn-ten thu 24

Hình 2.3 Trình bày sơ đồ mã kết nối song song 25

Hình 2.2 Trình bày sơ đồ kết nối nối tiếp 25

Hình 2.4 Sơ đồ khối bộ mã hóa Turbo 26

Hình 2.5 Bộ ghép xen làm tăng trọng số của các từ mã 27

Hình 2.6 Các họ thuật toán giải mã dựa trên sơ đồ Trellis 28

Hình 2.7 Mã chập (3,1,3) có 3 thanh ghi bộ nhớ, 1 bit đầu vào và 3 bit đầu ra 29

Hình 2.8 Các trạng thái của mã trong thanh ghi 30

Hình 2.9 Bit 1 đi qua bộ mã hóa tạo 8 bit ở đầu ra 31

Hình 2.10 Sơ đồ trạng thái mã (2,1,4) 35

Hình 2.11 Sơ đồ Cây của mã (2,1,4) 36

Hình 2.12 Sơ đồ Trellis của mã (2,1,4) 37

Hình 2.13 Chuỗi mã hóa , bit ngõ vào 1011000 , bit ngõ ra 11011111010111 38

Hình 2.14 Đường hướng tìm kiếm của giải mã trình tự 40

Hình 2.15 Giải mã tuần tự tìm kiếm con đường đi 41

Hình 2.16 Giải mã tuần tự tìm kiếm đường đi 41

Hình 2.17 Giải mã tuần tự tìm kiếm con đường đi 42

Hình 2.18 Giải mã Viterbi, Bước 1 43

Hình 2.19 Giải mã Viterbi, Bước 2 44

Hình 2.20 Giải mã Viterbi, Bước 3 44

Hình 2.21 Giải mã Viterbi, Bước 4 45

Hình 2.22 Giải mã Viterbi, Bước 4, sau khi có sự loại bỏ 45

xii

Hình 2.23 Giải mã Viterbi, Bước 5 46

Hình 2.24 Giải mã Viterbi, Bước 6 46

Hình 2.25 Giải mã Viterbi, Bước 7 47

Hình 2.26 Hai tín hiệu 1 và 0 tạo nhiễu 48

Hình 2.27 Tạo 4 vùng quyết định Xác suất chính xác được tính toán từ diện tích dưới đường cong gaussian 49

Hình 2.28 Xác suất giải mã bit 0 hoặc 1 tùy thuộc vào độ lớn của điện áp nhận được, với điện áp được lượng tử hóa thành 4 cấp 50

Hình 2.29 Thiết bị phát MIMO OFDM 54

Hình 2.30 Thiết bị thu MIMO OFDM 54

Hình 2.31 Sơ đồ khối Turbo-MIMO 59

Hình 2.32 Sơ đồ Lưới 61

Hình 2.33 Các kết quả mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO sử dụng LLR cho thông tin parity-kiểm tra với số lần lặp khác nhau 64

Hình 2.34 Mã Chập Ghép Song song trong kênh MIMO 65

Hình 3.1 So sánh BER giữa SIO, SIMO, MISO, MIMO 68

Hình 3.3 So sánh BER trong HT VBLAST-OFDM 69

Hình 3.2 So sánh BER trong các HT MIMO 69

Hình 3.4 So sánh BER trong các điều chế HT MIMO 70

Hình 3.5 So sánh BER trong HT MIMO-OFDM 70

Hình 3.6 So sánh BER trong OFDM 71

Hình 3.7 Các thông số chạy Matlap Turbo 72

Hình 3.8 BER của mã Turbo trong HT MIMO-OFDM, điều chế BPSK 72

Hình 3.9 BER của mã Turbo trong HT MIMO-OFDM, điều chế 4-QAM 73

Hình 3.10 Hiệu suất mã Turbo trong HT MIMO-OFDM 73

Hình 3.11 Mã Turbo 6 lần lặp có Puncture 74

xiii

Hình 3.12 Mã Turbo 6 lần lặp không có Puncture 74

xiv

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Đa thức tốt cho các mã tỷ lệ 1/2 30Bảng 2.2 Tra cứu cho các bộ mã hóa mã (2,1,4) 34Bảng 2.3 Quy ước về Bit –Metric quyết định xét từ tín hiệu vào tạo ra trong 8 chuỗi mã thích hợp 39Bảng 2.4 Mỗi nhánh có số đo Hamming metric tùy thuộc vào bit nhận, và từ mã tương ứng 43Bảng 2.5 Bảng tra cứu các tính toán 62Bảng 2.6 BER của Mã Chập Ghép Song song PCCC trong kênh MIMO với chiều dài khối 512, 1024, 2048 67

15

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu

Một hệ thống gồm nhiều ăn-ten phát và ăn-ten thu được gọi là hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) Hệ thống này được nghiên cứu thông qua các mô phỏng trên máy tính từ thập kỉ 80, do những ưu điểm mà nó mang lại nên được rất nhiều người quan tâm và phân tích rõ hơn Hiện nay thì hệ thống MIMO đang được sử dụng trong hệ thống 3G và được chuẩn hóa thành chuẩn IEEE 802.11

Hệ thống MIMO sử dụng nhiều ăn-ten phát và thu với 2 mục đích chính:

• Thứ nhất: sử dụng nhiều ăn-ten để thu được độ lợi phân tập cao

• Thứ hai: sử dụng nhiều ăn-ten để truyền nhiều dòng dữ liệu song song để tăng dung lượng của hệ thống

Đi song song với vấn đề nâng cao dung lượng của hệ thống thì vấn đề sửa lỗi cũng được quan tâm rất nhiều Hiện nay mã Turbo là một trong những loại mã có khả năng sửa lỗi gần tiến tới giới hạn Shannon

Tuy nhiên tài nguyên về phổ tần số lại bị giới hạn và dung lượng của hệ thống thông tin sẽ không đáp ứng được nếu không có sự gia tăng về mặt hiệu suất sử dụng phổ tần Các phương pháp mã hóa mới được nghiêm cứu như mã Turbo, mã LDPC (Low Density Parity Check) đã đạt được hiệu suất sửa lỗi gần tới giới hạn Shannon trong các hệ thống các ăn-ten đơn Các cải tiến được đưa ra về hiệu suất phổ tần là tập trung vào việc tăng

số lượng anten ở cả phía phát và phía thu

16

Một số kết quả nghiên cứu đã công bố:

Trong bài báo “ SIGNALPROCESSING & SIMULATION NEWSLETTER” mục

„Coding and decoding with Convolutional Codes ‟ [2] các tác giả đã nêu lên các thông số

và cấu trúc mã hóa, giải mã của mã chập Turbo Riêng phần giải mã, tác giả đã nêu bật 3 biểu đồ giải mã, nêu ưu nhược điểm Sau đó họ diễn giải cặn kẻ thuật toán giải mã tuần

tự dẫn dắt đến thuật toán giãi mã Viterbi , giãi mã bằng phần mềm dựa vào các mức điện

áp bit 1 và 0 Điều này rất quan trọng trong bài báo cáo về phần mã Turbo

Trong bài báo “Performance of Turbo Encoder and Turbo Decoder using MIMO Channel ”[6] của Sneha Bhanubhai Patel, Mary Grace Shajan Các tác giã diễn giải về

sơ đồ khối tiến trình giải mã Turbo, sơ đồ khối hệ thống Turbo-MIMO , họ đề cập đến sự phức tạp của giải thuật MAP , đồng thời nêu lên ưu điểm của mã Turbo đối với hệ thống MIMO Đồng thời họ đề cập đến kích thước mã khối ảnh hưởng đến việc sửa lỗi của hệ thống Turbo-MIMO

Trong bài báo “Performance Analysis of MIMO-OFDM System using Space- time

Turbo Codes and Adaptive Beamforming“ [5] của Suchita Varade & Kishore Kulat , India Các tác giả nêu lên nổi bật sơ đồ khối của hệ thống MIMO có Ứng dụng mã

Turbo cùng các cơ sở thuật toán trong ứng dụng

Trong bài báo “ High-Performance Turbo-MIMO System Design with Iterative Detection and Decoding” của Der-Wei Yang, Jing-Shiun Lin, Shih-Hao Fang, Chia-Fen Lin, and Ming-Der Shiehđã nêu lên các vấn đề dò tìm lặp, kể cả bên ngoài và giải mã Cuối cùng tác giả đã nêu lên ưu điểm sửa lỗi tốt hơn với số lần lặp thông tin bên ngoài nhiều hơn số lần lặp giải mã

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Trong tiêu chuẩn sắp tới của 4G đưa ra nhu cầu tăng công suất và hiệu suất, mã Turbo

là một ứng viên sáng về hiệu suất cao trong việc sửa lỗi Các nguyên tắc của mã Turbo