Thiết kế bộ tách sóng lặp hiệu quả cao trong hệ thống TURBO-MIMO

Nội dung text: Thiết kế bộ tách sóng lặp hiệu quả cao trong hệ thống TURBO-MIMO

1. Thiết kế bộ tách sĩng lặp hiệu quả cao trong hệ thống TURBO-MIMO Trần Cơng Danh TĨM TẮT Trong hệ thống Turbo-MIMO, bộ tách sĩng ngõ ra mềm cĩ thể cung cấp các thơng tin tiên nghiệm cho bộ giải mã turbo. Tuy nhiên, trong kênh fading Rayleigh, các thơng tin khơng đáng tin cậy sẽ gây sự suy giảm hiệu suất của hệ thống. Trong bài báo này, tơi nghiên cứu một phương pháp lặp để cĩ được thơng tin tiên nghiệm độ tin cậy cao cho bộ tách sĩng ngõ ra mềm MIMO. Trong thuật tốn giải mã turbo, ta đưa các thơng tin ngoại lai từ bộ giải mã turbo vào các tỷ số log-likelihood (LLRs) dựa trên thuật tốn log-MAP gọi là giải mã cầu (LSD). Để giảm độ phức tạp tính tốn tổng thể, ta sử dụng các bộ lặp khác nhau. Các kết quả mơ phỏng đã cho thấy hệ thống Turbo-MIMO cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống so với hệ thống Turbo-MIMO thơng thường. Từ khĩa :Turbo-MIMO, giải mã lặp, phần mềm dị tìm lặp, bit parity kiểm tra ABSTRACT In turbo-multiple-input multiple-output (Turbo-MIMO) systems, the soft-output detector can provide the priori information to the turbo decoder. However, Rayleigh fading channels are applied, the induced unreliable priori information would cause the system performance degradation. In this paper, I research an iterative method to acquire the high reliability priori information for MIMO soft-detector. In the turbo decoding algorithm, we utilize the extrinsic information from the turbo decoder give into the log-likelihood ratios (LLRs) based on log-MAP algorithm in the list sphere decoding (LSD) algorithm. To reduce the overall computational complexity, different iteration profiles are also ussed. Simulation results show that the Turbo-MIMO system significantly improve the system performance compared to that of the conventional Turbo-MIMO system. Keywords :Turbo-MIMO, iterative decoding, Iterative Soft-Detection, parity-check I. GIỚI THIỆU mềm MIMO ước tính tối đa xác suất hậu Trong băng thơng bị giới hạn, mỗi nghiệm (MAP) rồi cung cấp kết quả đầu một anten truyền các tín hiệu khác nhau ra, được gọi là giải mã cầu (LSD). Bộ để tăng tốc độ truyền, được gọi là phân tách sĩng ngõ ra MIMO là giải mã bên tập khơng gian. Để khơi phục lại tín hiệu trong, rồi hồi tiếp cho bộ tách sĩng ngõ thu, các thuật tốn tách sĩng MIMO khác vào của bộ giải mã Turbo ngồi. Hơn nữa, nhau được sử dụng. Mặc dù phương pháp các nguyên lý turbo áp dụng ở bộ tách tách sĩng tuyến tính cĩ độ tính tốn ít sĩng đầu ra MIMO mềm và bộ giải mã phức tạp nhưng tỷ lệ lỗi bit (BER) khơng lặp thực hiện ở bộ giải mã bên ngồi. Các đủ nhỏ, đặc biệt là trong mơi trường SNR đáp ứng đầu vào của bộ giải mã Turbo cĩ thấp. Vì vậy phương pháp khác là thuật thể khơng được xử lý đầy đủ trong tách tốn khả năng tối đa (Maximum sĩng lặp. Vì vậy tơi nghiên cứu một likelihood) (ML) được dùng để nâng cao phương pháp lặp để xác định thơng tin hiệu năng hệ thống. Bộ tách sĩng ngõ ra tiên nghiệm cĩ độ tin cậy cao. Hiệu năng
2. hệ thống mới sẽ được cải thiện đáng kể Bahl-Cocke-Jelinek-Raviv (BCJR) để tìm khi các thuật tốn hoạt động đồng thời ra yếu tố ngoại lai LE2 cho bit mã hĩa bên cùng với quá trình lặp. Trong phần sau tơi ngồi. Sau đĩ, các LE2 qua bộ tái đan xen sẽ trình bày mơ hình hệ thống và một số rồi hồi tiếp về như một tiên nghiệm LA1 tính tốn thơng tin mềm liên quan, các để tách sĩng ngõ ra mềm. thơng tin mềm cập nhật cho thuật tốn và sẽ xem xét các dạng lặp khác nhau để cho ra kết quả thực nghiệm mơ phỏng. II. Mơ hình Hệ thống TURBO-MIMO Xét mơ hình hệ thống turbo-MIMO gồm M anten phát và N anten thu, trong đĩ N ≥ M. Ở máy phát, để chống lại các lỗi chùm, ta sử dụng bộ đan xen, ký hiệu Π, để hốn vị các bit mã hĩa. Sau khi đan xen , các bit mã hĩa hốn vị sẽ được điều chế tạo thành chuỗi các kí tự. Chuỗi các Hình 1. Sơ đồ khối Turbo-MIMO kí tự này được truyền song song từ M ăng-ten phát và ma trận kênh truyền H Trong hình 1, các chỉ số bên dưới "1" với kích thước N-M được thể hiện là: và "2" biểu thị khối xử lý nối với bộ tách sĩng tương ứng. Khi hồn thành chuyển đổi thơng tin giữa các chỉ số "1" và "2" cĩ nghĩa là xong một lần lặp. Trong bộ tách sĩng, các thơng tin của bit thứ l trong biểu tượng thứ k được thể hiện như là: Khi vector s của tín hiệu phát truyền qua kênh MIMO, thì vector tín hiệu nhận y = T [y1 y2 yN] cĩ thể được biểu diễn chỉ số trên (k, l) biểu thị cho thơng tin là ( ,푙) như sau : bit thứ l cĩ biểu tượng thứ k, 퐿 1 được Y = Hs + n (2) diễn tả là : T Trong đĩ, n = [n1,n2, , nN] là Nhiễu Gaus trắng cộng (AWGN) phân bố giống nhau, một cách độc lập với khoảng trung bình là zero. Tại máy thu, dùng bộ tách sĩng MIMO để tìm ra kí tự truyền đi. Trong đĩ x[k,l] biểu thị vector bit Ngồi ra, ta dùng „giải mã cầu‟ LSD (list thơng tin thơng qua giá trị xk,l , và sphere detector) để tách sĩng đầu ra từ LA1,[k,l] bằng LA1 thơng qua các giá trị vector tín hiệu nhận và một tiên nghiệm ( ,푙) của 퐿 1 ; Xk,l,+1 và Xk,l,-1 được thiết lập LA1 ở bit mã hĩa bên trong rồi tính tốn từ 2M.Mc −1.vectơ bit x , nĩ bao gồm x một thơng tin mềm mang bản chất mới k,l = + 1 và xk,l = - 1 được đưa vào. LE1 . Thơng qua các hoạt động giải đan -1 Thơng qua xấp xỉ Max-log, ta cĩ: xen, ký hiệu là Π , LE1 được thay thành một thơng tin tiên nghiệm LA2 trong bộ giải mã turbo. Trong bộ giải mã turbo, cĩ thể dùng thuật tốn hậu nghiệm tối đa (MAP: The Maximum A-Posteriori Algorithm) hoặc thuật tốn
3. mỗi bit parity-kiểm tra cĩ thể tính được. Sử dụng những thơng tin thực ban đầu và một thơng tin tiên nghiệm LA2 để tính tốn thơng tin bên ngồi LE2. Sau đĩ, LE2 qua quá trình tái đan xen rồi hồi tiếp với Trong giải mã turbo, (4) và (5) được gọi tư cách một tiên nghiệm LA1. Các quá là các giải pháp Max-log MAP và trình trên đây được thực hiện trong một Log-MAP tương ứng. lần lặp ngồi; sự lặp lại tối đa bên ngồi III. Định hướng hệ thống Turbo-MIMO được ký hiệu là iterouter lặp Để giải mã turbo, ta kết hợp bộ tách Bảng 1. Bảng tra cứu các tính tốn sĩng cầu ngõ ra mềm (LSD) và bộ lặp. Để phép Max-log-MAP gần đúng, ta dùng thuật tốn log-MAP để tính các thơng tin từ ngồi. Ngồi ra, ta cũng dùng các thơng tin ngồi của bộ giải mã turbo để tính tốn các tỷ số Log-Likehood (LLR) dựa trên Log-MAP trong thuật tốn LSD. Tuy nhiên bộ giải mã Turbo thường tính tốn các thơng tin từ bên ngồi của chính các bit hệ thống. Vì B. Các thơng số lần lặp khác nhau: lượng thơng tin mềm cập nhật giữa LD1 và LD2 ngược dấu nhau, nên các thơng Xét các giá trị khác nhau của iterturbo tin tiên nghiệm sẽ đáng tin cậy đối với bit và iterouter . Các hệ thống Turbo-MIMO parity-kiểm tra, đặc biệt là xét ở kênh thường đặt iterturbo = 8 và iterouter = 4 , fading Rayleigh. Do vậy phải đưa các khơng liên quan đến phép LLR của các thơng tin bên ngồi vào các bit bit parity-kiểm tra (ký hiệu là LLRp). Để parity-kiểm tra để cập nhật thay đổi trong tăng độ tin cậy của các giá trị LLRp, ta hệ thống turbo-MIMO lặp nĩi trên. Các nên chọn giá trị của iterouter lớn. thơng số lặp khác nhau cũng được bàn tới Trong bảng trên, các thơng số lặp nhằm làm giảm độ phức tạp tính tốn. khác nhau được xem xét để hiệu năng hệ thống là chấp nhận được. Vì tính tốn giải A. Thuật tốn Log-MAP tính tốn mã Turbo là tính tốn cĩ giới hạn đối với thơng tin parity-kiểm tra: thơng tin mềm được cập nhật, nên ta Thơng tin cập nhật theo quy tắc thuật thường chọn số tính tốn thấp nhất cho bộ tốn LLR : Đầu tiên, ta cĩ vector tín hiệu giải mã Turbo. Do đĩ, thơng số lặp lại nhận được và một thơng tin tiên nghiệm được chọn là iterturbo = 4 và iterouter = 6 tương ứng LA1 , được khởi tạo từ zero, rồi để tính tốn LLRp ở hệ thống tính thơng tin mới LE1 tương ứng. Sau đĩ, Turbo-MIMO. - 1 LE1 thực hiện giải đan xen Π tạo ra thơng tin tiên nghiệm LA2 . Trong bộ giải IV. Kết quả theo mơ phỏng mã turbo, thuật tốn MAP tạo ra thơng Xét mã hĩa chập Rc = 1/2 cĩ đa 푠 2 tin mềm 퐿 2 cho hệ thống thơng qua thức hồi tiếp : Gr (D) = 1 + D + D , đa 2 các quá trình lặp. Ký hiệu iterturbo là thức thuận : Gf(D) = 1 + D . Kích thước số lần lặp tối đa cho giải mã turbo. khối đan chen của mã turbo là 9216 bit. 푠 Thơng tin thực ban đầu 퐿 2 của Đối với các hệ thống MIMO 4x4 (M = 4
4. và N = 4), mỗi kí tự truyền đi mang 4 bit được bằng cách tăng con số quá trình lặp thơng tin (Mc = 4) tạo ra từ điều chế bên ngồi, mà được xem là hiệu quả hơn 16QAM . Tại máy thu, các thuật tốn so với cách tăng số lần lặp của giải mã LSD dùng 512 nút dự bị để tách sĩng ngõ turbo. ra MIMO. Khi năng lượng tín hiệu trung bình trên mỗi ăng-ten nhận là Es ; năng lượng tín hiệu trên mỗi bit thơng tin truyền đến là Eb = (N/RcMMc) Es . Ta cĩ cơng thức SNR mới cho hệ thống Turbo-MIMO được xem là: Các kết quả mơ phỏng thể hiện ở hình Hình 2. Các kết quả mơ phỏng hệ thống 2 được xác định trong kênh Rayleigh, Turbo-MIMO sử dụng LLR cho thơng tin kênh tạo ra bởi phân phối Gauss số phức. parity-kiểm tra với số lần lặp khác nhau Nếu thuật tốn Max-log MAP sử dụng LLR xấp xỉ thì hiệu suất BER của nĩ xấu hơn so với sử dụng thuật tốn Log MAP. TÀI LIỆU TAM KHẢO LLR được tính hoặc bằng thuật tốn Max-Log MAP hoặc bằng thuật tốn Log [1] Z.Guo and P.Nilsson, “Algorithm MAP cĩ thể cĩ độ lợi hiệu suất theo yêu and implementation of the K-best sphere cầu là 0,2 ~ 0,3 dB tại BER = 10-3. So decoding for MIMO detection,” IEEE J. sánh các hình thức lặp dẫn đến chọn hình thức lặp cĩ: iterturbo = 4 và iterouter = 6 Sel. Areas Commun., vol. 24, no. 3, pp. là cĩ hiệu suất tốt hơn. Thuật tốn LLR 491–503, 2006. của bit parity kiểm tra cĩ thể truy xuất nhiều lần tương ứng với tăng số lượng [2] C. A. Shen, and A. M. Eltawil, “A iterouter để tính xác thực đáng tin cậy hơn. radius adaptive K-Best decoder with early V. Kết luận termination: algorithm and VLSI Trong bài báo, bằng các thuật tốn đa truy cập, phương pháp sửa lỗi và phương architecture,” IEEE Trans. Circuit Syst. I: pháp lặp tạo thơng tin tiên nghiệm đã tạo Regular Papers, vol. 57, no. 9, pp. một độ tin cậy cao trong bộ tách sĩng ngõ ra mềm MIMO. Thơng qua thuật tốn 2476–2486, Sep. 2010. LLR ở các bit parity-kiểm tra đồng thời kết hợp với số lần lặp trong hệ thống [3] C. Studer, A. Burg, and H. Turbo-MIMO, ta cĩ thể tăng độ lợi hơn Bưlcskei, “Soft-output sphere decoding: so với các hệ thống Turbo-MIMO thơng thường. Ngồi ra, phép LLR ở bit kiểm algorithms and VLSI implementation,” tra parity cĩ thể cải thiện hiệu suất thu IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 26, no.
5. 2, pp. 290–300, Feb. 2008. Thơng tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Trần Cơng Danh Điện thoại: 0169. 694. 2761 Email: kongpongcham88@gmail.com Ngày 26 tháng 11 năm 2015 Xác nhận của Giáo Viên hướng dẫn
6. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CƠNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên cĩ xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa cĩ sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CĨ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.