Ứng dụng mã Dual Turbo trong hệ thống MIMO-OFDM

Nội dung text: Ứng dụng mã Dual Turbo trong hệ thống MIMO-OFDM

1. ỨNG DỤNG MÃ DUAL TURBO TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM Nghiêm Hoàng Hải Học viên Cao Học của Đại học sư phạm kỹ thuật Email:nghiem_hoang2002@yahoo.com PGS.TS. Phạm Hồng Liên Giảng viên Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tóm tắt: Mã Turbo là một nhánh nổi bật của nhiều nước phát triển trên thế giới và hệ mã hóa kiểm soát lỗi có hiệu suất gần đạt tới thống OFDM là 1 hệ thống thông tin liên lạc giới hạn Shannon. Mã Dual Turbo là bộ mã được ứng dụng rất nhiều vào thực tế với đa được phát triển từ mã Turbo, có thể giúp cho sóng mang, có khả năng triệt nhiễu giao hiệu suất sửa sai tăng lên mà lại không bị thoa, tiết kiệm băng thông, bền vững đối với giảm tốc độ xử lý của hệ thống như mã fading phụ thuộc tần số và trải trễ đa Turbo nhờ kết cấu ghép nối 2 bộ Turbo song đường Với những ưu điểm của 2 hệ thống song cùng xử lý hệ thống nên đã giúp tăng MIMO và OFDM, nếu ta kết hợp chúng lại được tốc độ xử lý. Hệ thống MIMO là hệ với nhau sẽ tạo ra một hệ thống truyền tin với thống thông tin liên lạc tiên tiến được rất rất nhiều ưu điểm và có tính thực tiễn rất cao. I.Giới thiệu luôn đạt được chỉ số FER thấp hơn so với chỉ Có rất nhiều nghiên cứu cũng như sử dụng bộ thu tuần tự. Và bài báo này đã các bài báo đề cập về kỹ thuật Dual Turbo khuyến nghị nên sử dụng cấu trúc bộ thu trong hệ thống MIMO-OFDM, dưới đây là Dual Turbo khi xử lý thu tín hiệu. một số bài báo nghiên cứu liên quan về kỹ Bài báo số [28] năm 2011: nghiên thuật Dual Turbo trong hệ thống MIMO- cứu về bộ phát hiện mã Turbo đơn giản OFDM trong thời gian gần đây. trong hệ thống UD-MIMO. Bài báo số [27] năm 2011: nghiên Kết quả nghiên cứu của bài báo này cứu về cấu trúc bộ thu Dual Turbo cho hệ cho thấy hệ thống GPIC-BDFE cho tỉ số thống Turbo MIMO-OFDM. BER thấp hơn so với hệ thống GPIC- Bài báo này nghiên cứu mối tương VBLAST và có độ phức tạp vừa phải. Xem quan của FER và SNR khi sử dụng bộ thu hình 2 của bài báo này, ta có thể thấy rằng hệ Dual Turbo. Hình 4 và hình 5 của bài báo thống dùng GPIC-BDFE đạt được chỉ số này cho thấy ưu điểm của bộ nhận DTRA so BER tốt hơn so với hệ thống GPIC- với bộ thu tuần tự trong kênh truyền MIMO. VBLAST. Ở hình 3, ta thấy rằng chỉ số BER Kết quả cho thấy rằng chỉ số FER giảm khi của hệ thống được mã hóa BPSK ngày càng số bộ lặp ngõ vào tăng và với số bộ lặp ngõ tốt khi số lần lặp tăng lên. vào như nhau thì hệ thống sử dụng DTRA 1
2. Bài báo số [29] năm 2011: phân Bài báo số [31] năm 2011: tích hiệu suất của hệ thống MIMO-OFDM nghiên cứu về kỹ thuật mã hóa Turbo sử dụng mã STTC (space time Turbo Trellis dựa trên cấu trúc repeat- codes) và kỹ thuật thích nghi. punched. Hệ thống thu phát bao gồm 2 antena phát và 2 antena thu , tín hiệu được truyền Bài báo so sánh chỉ số BER của 2 trên kênh truyền AWNG, sử dụng bộ thích hệ thống: 1 loại là có sử dụng repeat- nghi LMS và LLMS adaptive beamformer punched (RPTTCM – repeat punched cho hệ thống STC-OFDM. Qua phân tích cho Turbo Trellis code modulation) và 1 loại thấy chỉ số BER của hệ thống LLMS cho kết không sử dụng repeat-punched (TTCM - quả tốt hơn hệ thống LMS ở tất cả các kiểu Turbo Trellis code modulation). Bài báo điều chế (BPSK, QPSK, 16-PSK, 256-PSK). so sánh khi truyền trên AWGN và truyền Bài báo số [25] năm 2011: mã trên fading phẳng Reyleigh. Kết quả mô Turbo với thiết kế PCCC kiểu mới. phỏng của bài báo cho thấy cả 2 trường Bài báo nghiên cứu về mã Turbo hợp thì hệ thống sử dụng RPTTCM cho được tạo thành từ 2 hoặc nhiều hơn 2 bộ mã kết quả BER tốt hơn TTCM. Cụ thể, tại tích chập ghép nối song song hoặc nối tiếp hình 9 của bài báo, RPTTCM đạt chỉ số -6 với nhau. Mã Turbo cho chất lượng BER tốt BER = 10 tại Eb/N0 = 6, trong khi đó hệ -6 hơn mã tích chập. Mã Turbo PCCC có khả thống TTCM đạt chỉ số BER = 10 tại năng triệt nhiễu và giảm lỗi thông tin thu Eb/N0 = 7. được khá tốt khi truyền trên kênh truyền Được phát triển chủ yếu từ bài báo [ 27] năm AWGN. 2011, nội dung bài báo chủ yếu tập trung Bài báo số [26] năm 2012: kỹ phân tích và mô phỏng kỹ thuật sử dụng mã thuật ƣớc lƣợng kênh truyền của hệ thống Dual Turbo trong hệ thống MIMO-OFDM. sử dụng mã Dual Turbo trong MIMO OFDM dựa trên nền tảng kỹ thuật cắt tỉa II. CẤU TRÚC MÁY THU DUAL-TURBO (punch). Bài báo này chủ yếu nghiên cứu về 1. GIẢ THIẾT CƠ BẢN kỹ thuật UWA (underwater acoustic) có chức năng ước lượng kênh truyền cho kỹ thuật Việc thực hiện cấu trúc của một máy thu lặp truyền dưới nước của hệ thống MIMO- lại được xác định bởi việc phân bổ các đơn vị OFDM. tính toán và lưu trữ, và cũng phụ thuộc vào Bài báo số [30]: nghiên cứu về cách hoạt động của các đơn vị này để thực mã hóa Turbo trong OFDM. hiện kế hoạch truyền thông điệp mềm trên một đồ thị hệ số cho trước. Trong phần sau Nhìn vào hình 10 của bài báo này, đây, chúng ta có thể thấy rằng các thuật toán ta thấy chỉ số BER đạt được của hệ thống thành phần khác nhau của máy thu có thể khá tốt. Ở 1 lần lặp thì tại vị trí Eb/N0 = 3 đồng thời thực hiện trong cùng một thời gian dB thì BER = 10-5 và khi số vòng lặp càng thực đặc biệt liên quan đến việc thực hiện gia tăng thì chỉ số BER càng tốt. Ở lần lặp phần cứng. Để giúp chúng ta hiểu được các ý thứ 5 thì tại vị trí Eb/N0 = 1 dB thì BER = tưởng chính, một số giả định cơ bản được 10-5 thực hiện. Đối với các đơn vị tính toán, có ba loại chính của đơn vị tính toán, cụ thể là đơn 2
3. vị phát hiện mềm MIMO (ký hiệu là 퐹푠 푒푡 ), vị tính toán và lưu trữ, các chi tiết cấu trúc đơn vị đệ quy chuyển tiếp/hồi tiếp (ký hiệu thực hiện của 퐹푠 푒푡 , 퐹 và 퐹푠 푒 sẽ không là 퐹 ), và đơn vị quyết định mềm RSC (ký được trình bày trong luận văn này. Đối với hiệu bởi 퐹푠 푒 ). Về bản chất, 퐹푠 푒푡 được sử các đơn vị lưu trữ, máy thu Dual Turbo đòi hỏi phải có Dual-Port RAMS (DP-RAMs). dụng để tính toán 훿 → 푡 nút phát hiện đơn tại phương trình (3.17) (cụ thể là, một nút thứ Tuy nhiên điều này lại không cần thiết cho máy thu có trình tự lặp lại. Đối với hệ thống k). 퐹 là đơn vị tính toán để tính toán 훼 푠 mà chúng ta đang xem xét, các thông điệp hoặc 훽(푠 −1) theo phương trình (3.18) và ′ ′ mềm 훿 → 푡 , 훿 푡 → , 훿 → , 훿 → , (3.19) cho một quá trình chuyển đổi trạng ′ ′ thái được đưa ra trong mã lưới RSC, trong ∝ (푠 ) và 훽(푠 −1) đóng góp hầu hết các khi đó 퐹푠 푒 được sử dụng để tính toán yêu cầu lưu trữ. Trong phần còn lại của luận, 훿 → và 훿 → theo phương trình (3.20) chúng ta sử dụng ℛ → , ℛ → , ℛ → , và (3.21) cho quá trình chuyển đổi trạng thái ℛ ′ → ′ để biểu thị các RAMS lưu trữ cho được đưa ra khi bắt đầu đệ quy ngược. các thông điệp mềm tương ứng ′ ′ 훿 → 푡 , 훿 푡 → , 훿 → và 훿 → . Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét ′ ′ một cấu trúc DTRA mới và so sánh nó với 2. Sơ đồ khối của bộ quyết định mềm RSC. máy thu thông thường lặp lại tuần tự. Hai cấu trúc máy thu được thể hiện trong Hình 3.6. Để dễ dàng so sánh, chúng ta hạn chế phân bổ tài nguyên bằng cách chỉ hỗ trợ một đơn vị cho các quá trình máy thu lặp lại. Tuy nhiên máy thu Dual Turbo đòi hỏi hai lần số lượng của các đơn vị tính toán cho các bộ giải mã Turbo vì hai bộ giải mã RSC trong các bộ giải mã Turbo hoạt động đồng thời. Tiếp theo, các bộ phát hiện lỗi MIMO phải chạy lần để hoàn thành nhiệm vụ của chính nó, còn đơn vị đệ quy chuyển tiếp/hồi Hình 1:Sơ đô khối của bộ quyết định mềm RSC tiếp (Ffb) thì phải chạy 2퐿 lần, đơn vị quyết định mềm RSC (퐹푠 푒푡 ) thì phải chạy 퐿 lần. Lưu ý rằng 퐹푠 푒푡 được bắt đầu bất cứ khi nào 퐹 bắt đầu đệ quy ngược. Lưu ý rằng giả định này được sử dụng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc trình bày về máy thu DTRA. Đối với máy thu thực tế thì ta vẫn có thể tự do lựa chọn mức độ số lượng các đơn vị tính toán để đáp ứng các yêu cầu phần cứng. Hơn nữa, số lượng các đơn vị này có thể thay đổi hiệu suất máy thu, và ta có thể dựa vào đó để mô phỏng cho thiết kế của một máy thu phần cứng theo định hướng cụ thể. Chúng ta sẽ tập trung vào việc làm Hình 2: Sơ đồ khối của máy thu tuần tự thế nào các bản tin được truyền giữa các đơn 3
4. MIMO của tất cả các nút phát hiện lỗi. Các đường được đánh dấu hình ngôi sao minh họa quá trình thời gian cho các đơn vị phát hiện lỗi MIMO (퐹푠 푒푡 ), các đường thẳng biểu thị cho đơn vị đệ quy chuyển tiếp/hồi tiếp (퐹 ) cho các bộ giải mã RSC, và các đường có ký tự " " cho thấy các đơn vị quyết định mềm RSC (퐹푠 푒 ). Đơn vị đệ quy ngược bắt đầu xử lý gần như đồng thời với đơn vị quyết định mềm RSC. Để hoàn thành việc lặp lại của bộ giải mã turbo, các bộ giải mã RSC phải chạy hai lần với hai thành phần Hình 3: Hai cấu trúc máy thu của hệ thống mã RSC. Kết quả là có ít nhất hai hình tam Dual-Turbo. giác trong sơ đồ lịch trình thời gian như trong Hình 3.12. Hình tam giác là do tính chất đệ 2. MÁY THU LẶP LẠI THEO quy chuyển tiếp và hồi tiếp của một bộ giải TUẦN TỰ (nối tiếp) mã RSC. Đối với một máy thu lặp lại tuần tự, Trong máy thu tuần tự (nối tiếp), cả hai bộ các bộ phát hiện lỗi MIMO mềm và bộ giải phát hiện lỗi MIMO và bộ giải mã Turbo mã Turbo hoạt động theo cách xen kẽ đủ để đóng vai trò như là hai đơn vị riêng biệt và trao đổi thông tin giữa chúng. Đối với việc mỗi đơn vị được coi là một đơn vị không thực hiện ASIC, lưu ý rằng 퐹푠 푒푡 không thể phân chia. Theo đó, các bộ giải mã Turbo có chia sẻ cùng một tài nguyên phần cứng với để bắt đầu làm việc sau khi bộ phát hiện lỗi 퐹 và 퐹 do sự phân kỳ của chúng trong MIMO hoàn thành việc phát hiện lỗi của tất 푠 푒 các dạng thuật toán, mặc dù chúng làm việc cả các bit được mã hóa, và ngược lại. Vì vậy, song song. bộ phát hiện lỗi hoạt động như một phương án thay thế các bộ giải mã Turbo theo cách lặp đi lặp lại, và thời gian cho quá trình xử lý lặp lại được chia thành hai khoảng thời gian: thời gian phát hiện và thời gian giải mã. và biểu thị cho số lần lặp của mã ngoài và mã trong trong mỗi chu kỳ. Quá trình truyền thông điệp mềm cho máy thu lặp lại tuần tự với = 3 và = 4 được thể hiện trong Hình 3.12. Lưu ý rằng trục trong Hình 3.10 cho chúng ta thấy các chỉ số của các nút phát hiện lỗi/lưới. Trong khi Hình Hình 4: Quá trình truyền thông điệp mềm 3.12 cho thấy làm thế nào các nút phát hiện cho máy thu tuần tự và DTRA với 푵푪 = ퟒ. lỗi/lưới được xử lý theo thời gian. Giả sử rằng cần có số đơn vị gấp nhiều lần để hoàn thành việc giải mã MAP cho cả hai thành phần mã RSC và có số đơn vị gấp nhiều lần để hoàn tất việc phát hiện lỗi 4
5. ′ ′ 2.1.CẤU TRÚC MÁY THU DUAL Ngoài ra, 훿 → và 훿 → được ′ ′ TURBO tạo ra vào giai đoạn cuối của bộ lặp bên trong Phân tích hệ số đồ thị trình bày một mô tả chi nên được dành cho việc khởi động tốc độ cao tiết của mối quan hệ giữa các bit mã hóa. của bộ giải mã Turbo cho bộ lặp bên ngoài Trong một đồ thị hệ số, các thông điệp mềm tiếp theo mặc dù bộ lặp liên tục bên ngoài đã được trao đổi giữa các nút khác nhau, dựa kết thúc. Đặc điểm này thì khác với máy thu trên khối thông điệp mềm trao đổi trong máy lặp lại tuần tự, đó là dạng máy thu có hai lớp thu tuần tự có thể được xem như là một được phân tách, gây ra độ trễ không cần thiết trường hợp đặc biệt. Ưu điểm này giúp cho trong quá trình xử lý. Như vậy cơ chế tốc độ việc thiết kế cấu trúc máy thu lặp lại thuận DTRA sẽ tăng theo tỷ lệ hội tụ của các lần lợi hơn. Trong công việc của chúng ta, với lặp lại bên trong. máy thu lặp lại của hệ thống MIMO-OFDM Đối với bộ lặp ngoài đầu tiên, các bộ mã hoá turbo, tài nguyên phần cứng độc lập giải mã turbo phải đợi cho đến khi các bộ được phân bổ cho các đơn vị tính toán của phát hiện lỗi MIMO hoàn tất công việc của các bộ phát hiện lỗi MIMO và hai bộ giải mã mình và tạo ra các thông điệp mềm của tất cả thành phần RSC tương ứng để xử lý thông các bit được mã hóa. Các bộ phát hiện lỗi điệp mềm của các nút khác nhau trên các đồ MIMO và các bộ giải mã Turbo hoạt động thị hệ số tương ứng. Ở đây, chúng ta phát đồng thời từ bộ lặp bên ngoài thứ hai. Do triển DTRA bằng cách sử dụng một quá trình phát hiện đồng thời và giải mã, nên sự lựa truyền thông điệp mềm mới trên đồ thị hệ số. chọn của linh hoạt hơn trong DTRA, Trong quá trình truyền thông điệp nghĩa là, có thể là số thực dương tùy ý bất mềm được đề nghị, đơn vị tính toán của bộ kỳ được giới hạn bởi 푅 ≜ (có thể được phát hiện lỗi và bộ giải mã làm việc đồng thiết lập theo yêu cầu thực hiện cụ thể của thời để xử lý các nút phát hiện lỗi và các nút phần cứng). Để tạo điều kiện thuận lợi cho kiểm tra. Thông điệp ngõ ra mềm của 퐹푠 푒푡 việc thảo luận, chúng ta sẽ tập trung vào trong quá trình xử lý các nút phát hiện lỗi trường hợp của = 푅 trong mô phỏng, hiện tại có thể được sử dụng ngay lập tức trong đó cả hai bộ giải mã RSC luôn luôn trong quá trình xử lý các nút kiểm tra có liên làm việc đồng thời và liên tục. Ngoài ra, quan đến hai bộ giải mã thành phần RSC. chúng ta giả sử là một số nguyên. Theo cùng một cách, thông điệp ngõ ra mềm của 퐹푠 푒 trong quá trình xử lý các nút kiểm Bây giờ, chúng ta sẽ sử dụng kết quả tra hiện tại cho bộ giải mã RSC có thể được của Hình 3.11 và Hình 3.12 để hiểu rõ hơn sử dụng ngay lập tức trong quá trinh xử lý cách DTRA làm việc và làm thế nào các các nút phát hiện lỗi có liên quan, mà cũng thông điệp mềm được trao đổi trong quá trình có thể được sử dụng ngay lập tức trong quá xử lý các nút phát hiện lỗi thứ k hoặc nút lưới trình xử lý các nút kiểm tra có liên quan cho thứ m cho bộ lặp bên trong thứ 푛푖 và bộ lặp các bộ giải mã RSC khác. Các hoạt động bên ngoài thứ 푛0, với 푛0 = 2, . . . , và đồng thời và tức thời của bộ phát hiện lỗi và 푛푖 = 1, . . . , . Theo giả thiết của chúng ta, giải mã có thể được kích hoạt bởi các tài phải mất ∆푡 lần đơn vị cho 퐹푠 푒푡 để hoàn nguyên phần cứng độc lập cho ba đơn vị tính thành quá trình xử lý của một nút phát hiện toán và truy cập ngay lập tức tin nhắn thông lỗi duy nhất và ∆푡 lần đơn vị cho 퐹 và qua DP-RAMS. 퐹푠 푒 để hoàn thành quá trình xử lý của một nút kiểm tra duy nhất. Do đó ∆푡 và 5
6. Các đơn vị lƣu trữ: Chúng ta sử ∆푡 được cho bởi công thức sau: ∆푡 = và dụng ℛ như là một ví dụ để đễ tìm hiểu → ∆푡 = 2퐿 cách thức hoạt động của đơn vị lưu trữ. Các thông điệp mềm trong ℛ → là ngõ ra của Các đơn vị phát hiện lỗi MIMO: Fsdet nhưng là ngõ vào của 퐹 và 퐹푠 푒 của Tại thời điểm , đơn vị phát hiện 푛0 + 훥푡 hai bộ giải mã RSC. Khi các đơn vị tính toán lỗi MIMO (퐹푠 푒푡 ) bắt đầu quá trình xử lý nút hoạt động đồng thời, trong một khoảng thời phát hiện lỗi và thông điệp mềm 훿 , 푗 → gian nhỏ của chu kỳ, một phần nhỏ của thông 푗 ∈ Γ , được đọc từ ℛ → . Sau thời gian đơn điệp mềm ℛ → được cập nhật bởi 퐹푠 푒푡 và vị ∆푡 , 퐹푠 푒푡 hoàn thành quá trình xử lý của một phần nhỏ của thông điệp mềm được đọc , tiếp theo là chuyển để thay thế 훿 → 푗 bởi 퐹 và 퐹푠 푒 . Nếu chúng ta giả định rằng các thông điệp mềm cũ trong ℛ → và sử số lượng bộ lặp bên trong trong mỗi bộ lặp dụng thông điệp đó để xử lý +1. bên ngoài là 2 hoặc = 2, chỉ một nửa trong những symbol cho một khung OFDM Đơn vị đệ quy chuyển tiếp/hồi tiếp: được phát hiện lỗi sau khi bộ lặp bên trong Chúng ta xem các đơn vị đệ quy (퐹 ) của được hoàn tất. Do đó, trước khi bộ lặp bên các bộ giải mã RSC đầu tiên trong khi quá trong thứ hai được bắt đầu, một nửa các trình xử lý các bộ giải mã RSC thứ hai thì thông điệp trong ℛ → được cập nhật và các như nhau. Và được xác định như sau: thông điệp khác vẫn không thay đổi. Các thông điệp mềm mới được cập nhật có thể 푡 푞, được sử dụng ngay lập tức bởi 퐹 và 퐹 + 푞 + ∆푡 , đệ 푞 ℎ ể푛 푡푖ế 푠 푒 ≜ trong quá trình xử lý các nút lưới có liên + 푞 + 퐿 − ∆푡 , đệ 푞 ℎồ푖 푡푖ế quan. Vì vậy, ngay lập tức quá trình trao đổi Với 푞 = (푛0 − 1) + 푛1 −1. Tại thời điểm thông điệp mềm có thể đạt được. 푡 (푞, ), 퐹 bắt đầu quá trình xử lý những Tóm lại, có hai đặc điểm chính khác nút lưới thứ m và đáp ứng thông điệp mềm biệt giữa máy thu tuần tự (nối tiếp) và máy 훿 và 훿 . Sau đó, 훿 và → → → 푙 thu Dual Turbo (DTRA – Dual Turbo 훿 ′ → ′ được đọc tuần tự từ ℛ → và ′ ′ Receiver Architecture): ℛ ′ ′ để tính toán 훿 → và 훿 → . Sau →  Đặc điểm đầu tiên, đối với DTRA, nhiều lần đơn vị ∆푡 , 퐹 sẽ truyền 훼(푠 ) bộ lặp bên ngoài và bên trong hoạt hoặc 훽(푠 ) để sử dụng đơn vị quyết định động đồng thời. Đặc biệt, 퐹푠 푒푡 xử lý mềm RSC (퐹 ) và tiếp tục xử lý nút lưới 푠 푒 mỗi nút phát hiện lỗi liên tục và định kế tiếp. kỳ. Tại cùng một thời điểm, hai đơn Đơn vị quyết định mềm RSC: Ngay vị 퐹 cùng chạy để tính toán ′ ′ 훼 푠 , 훽 푠 , 훼 (푠 ′ ) và 훽 (푠 ′ ) sau khi 훽 푠 xuất hiện trong đệ quy hồi lần lượt và định kỳ. tiếp, đơn vị quyết định mềm RSC (퐹푠 푒 ) sẽ  Đặc điểm thứ hai, là sự khác biệt cơ xử lý các nút lưới thứ m và tính toán 훿 → bản trong cách trao đổi thông điệp và 훿 → . Sau đó, 훿 → được sử dụng để mềm giữa các mô-đun khác nhau. thay thế các thông điệp mềm cũ trong ℛ , → Trong máy thu tuần tự, trao đổi và 훿 được tính bằng 훿 , 훿 푙→ → → thông tin giữa các bộ phát hiện lỗi và và 훿 trước khi thay thế các thông điệp → giải mã mềm chỉ có thể đạt được mềm cũ trong ℛ → . trong một khối cơ sở. Điều đó có ý 6
7. nghĩa, việc truyền các thông điệp mềm được tạo ra bởi bất kỳ bộ phát hiện lối nút MIMO nào nên buộc phải đợi cho đến khi tất cả các thông điệp mềm cho từ mã sẵn sàng. Sự hạn chế này, được lấy ra trong DTRA, nơi các thông điệp mềm cho 2 lớp của bộ lặp được cập nhật một cách lập tức. V.Mô phỏng Trong phần mô phỏng này, tôi xin trình bày mô phỏng của việc ứng dụng mã Turbo cho hệ thống OFDM, MIMO, MIMO-OFDM và ứng dụng mã Dual-Turbo cho hệ thống Hình 5:So sánh chất lƣợng mã Turbo và mã Dual-Turbo khi ứng dụng lên hệ thống MIMO-OFDM. MIMO-OFDM khi qua kênh AWGN với số lần lặp 1, 3. Thông số Giá trị Nhận xét: Chuỗi bit 10−6 Số sóng mang con 52 Hệ thống Dual Turbo MIMO-OFDM có chất Điều chế BPSK lượng hệ thống tốt hơn hẳn so với các kỹ Kích thước CP 16 Chiều dài FFT 64 thuật truyền thông thông thường do không Kênh truyền AWGN, fading những đạt được độ lợi phân tập không gian Nhiễu AWGN Ngẫu nhiên và thời gian thông qua việc sử dụng hệ thống Số anten phát và thu 2x1, 2x2 MIMO mà còn đạt được độ lợi về mã do sử Đáp ứng tần số kênh Ngẫu nhiên MIMO Space time block dụng các symbol được mã hóa bằng kỹ thuật code Dual Turbo. Số lần lặp của mã 1, 3 Turbo và Dual-Turbo Vì vậy, hệ thống này hứa hẹn sẽ là kỹ thuật SNR 15 dB chủ đạo cho thông tin vô tuyến trong tương Bảng 1: Các thông số của mã Turbo và lai. Hơn thế nữa, hệ thống này còn có thể mở Dual-Turbo khi ứng dụng vào hệ thống rộng cho mô hình đa người dùng và mô hình MIMO-OFDM. truyền thông đa chặng giúp mở rộng phạm vi phủ sóng của hệ thống. Đây là những hướng có thể mở rộng của đề tài. So sánh chất lƣợng mã Turbo và mã Dual- Turbo khi ứng dụng lên hệ thống MIMO- OFDM khi qua kênh fading phẳng với số lần lặp 1, 3. 7
8. mức công suất 15 và qua kênh fading phẳng nhưng đối với hệ thống Dual-Turbo MIMO-OFDM lại cho tỉ số lỗi bit BER gần 10−4 trong khi Turbo MIMO-OFDM thì gần 10−2 với số anten phát và thu là 2 1. Và với số anten thu phát là 2 2 thì hệ thống Dual-Turbo MIMO-OFDM có tỉ số lỗi bit BER gần 10−5 so với Turbo MIMO-OFDM là 10−3.  Kỹ thuật MIMO giúp tăng tốc dữ liệu và vẫn giữ được độ tin cậy thông tin, giảm công suất. Trong khi đó kỹ So sánh chất lƣợng mã Turbo và mã Dual- Turbo khi ứng dụng lên hệ thống MIMO- thuật OFDM giúp chống nhiễu, tăng OFDM khi qua kênh fading phẳng với số cự li truyền tin trong môi trường lần lặp 1, 3. không dây. Kỹ thuật MIMO-OFDM Nhận xét:  Nhìn vào Hình 5.4 ta có thể thấy với là sự kết hợp của hai kỹ thuật MIMO mức công suất 15 và qua kênh và OFDM để tận dụng cả hai ưu AWGN nhưng đối với hệ thống điểm của các kỹ thuật , mang lại chất Dual-Turbo MIMO-OFDM lại cho tỉ lượng thông tin trao đổi là tốt nhất. số lỗi bit BER gần 10−6 trong khi Nhìn vào Hình 5.4 và Hình 5.5 Turbo MIMO-OFDM thì gần 10−3 chúng ta có thể thấy hệ thống với với số anten phát và thu là 2 1. Và nhiều anten phát nhiều anten thu có chất lượng cao hơn so với hệ thống với số anten thu phát là 2 2 thì hệ có nhiều anten phát nhưng chỉ có 1 thống Dual-Turbo MIMO-OFDM có anten thu. Ví dụ như cùng mức công tỉ số lỗi bit BER gần 10−6 so với suất là 15 nhưng đối với hệ thống Turbo MIMO-OFDM là 10−4. Và ta 2 anten phát và 2 anten thu 2 thì tỉ số có thể thấy đối với trường hợp 2 lỗi bit BER bé hơn so với hệ thống 1 anten phát x 2 anten thu của mã anten phát và 1 anten thu. Do đó với Dual-Turbo có công suất thấp hơn số anten thu càng lớn thì chất lượng 14 so với trường hợp 2 anten hệ thống càng được cải thiện vì tận phát x 2 anten thu của mã Turbo là dụng được sự phân tập thu của hệ 15 . thống MIMO.  Nhìn vào Hình 5.5 ta có thể thấy với 8
9. VI. Kết luận Như vậy khi phát với công suất lớn  Qua các hình mô phỏng và các nhận thì chất lượng tín hiệu tốt nhưng yêu xét ở trên cùng các phần lý thuyết ở cầu tiêu thụ năng lượng tăng nên giá các chương trước ta có thể kết luận thành tăng. Vì vậy càng ngày, người mã Dual-Turbo có chất lượng tốt hơn ta càng hướng đến sử dụng các công so với mã Turbo thông thường. Và nghệ trong thông tin di động mà có việc ứng dụng mã Dual-Turbo lên hệ thể truyền tín hiệu đáng tin cậy với thống MIMO-OFDM cũng cho mức công suất phát nhỏ. chúng ta cùng 1 kết quả là mã Dual-  Với những gì đã chứng minh ở trện thì Turbo vẫn cho chất lượng cao hơn hệ thống này hứa hẹn sẽ là kỹ thuật mã Turbo thông thường dù có qua chủ đạo cho thông tin vô tuyến trong kênh nhiễu hay không có nhiễu. tương lai. Hơn thế nữa hệ thống này  Khi nhiễu môi trường tăng, thì yêu còn có thể mở rộng cho mô hình đa cầu SNR tăng, hay phải tăng công người dùng và mô hình truyền thông suất phát. đa chặng giúp mở rộng phạm vi phủ  SNR tăng cao thì BER càng nhỏ. sóng của hệ thống. TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách TIẾNG VIỆT [1] Dương Văn Toàn, ― Mã Turbo ‖, Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy, Đại học quốc gia Hà Nội, Đại học Công Nghệ, 2005. [2] Nguyễn Mai Tố Hoàng, ― Kỹ thuật mã hóa và ước lượng kênh truyền trong hệ thống MIMO-OFDM ‖, Luận văn Thạc Sĩ, Đại học quốc gia TP.HCM, Trường Đại Học Bách Khoa, 2008. TIẾNG NƢỚC NGOÀI [3] T. Ohgane, T. Nishimura, and Y. Ogawa, ―Applications of spacedivision multiplexing and those performance in a MIMO channel,‖ IEICE Trans. Commun. (Japanese Edition), vol.J87-B, no.9,pp.1162–1–1173, Sept. 2004. [4] G. Awater, A. Zelst, and R. Nee, ―Reduced complexity space divi-sion multiplexing receivers,‖ IEEE VTC’00 Spring, vol.1, pp.11–15,2000. [5] K. Higuchi, H. Kawai, N. Maeda, H. Taoka, and M. Sawahashi,―Experiments on real-time 1-Gb/s packet transmission using MLD-based signal detection in MIMO- 9
10. OFDM broadband radio access,‖IEEE J. Sel. Areas Commun., vol.24, no.6, pp.1141–1153, June 2006. [6] F. Simoens, H. Wymeersch, and M. Moeneclaey, ―Spatial mappingfor MIMO systems,‖ IEEE Information Theory Workshop 2004,pp.187–192, Oct. 2004. [7] A. Wolfgang, J. Akhtman, S. Chen, and L. Hanzo, ―Iterative MIMOdetection for rank-deficient systems,‖ IEEE Signal Process. Lett.,vol.13, no.11, pp.699–702, Nov. 2006. [8] N. Miyazaki, Y. Hatakawa, T. Yamamoto, H. Ishikawa, and T.Suzuki, ―A study on likelihood estimation method taking accountof mutual information in multi- level symbol — A Proposal of twin turbo decoder,‖ Proc. PIMRC’06 Fall, TH-1 #3, Sept. 2006. [9] L. Bahl, J. Cocke, F. Jelinek, andJ. Raviv, ―Optimal decoding of lin-ear codes for minimizing symbol error rate,‖ IEEE Trans. Inf. The-ory, vol.IT-20, no.2, pp.284–287, March 1974. [10] P. Robertson, E. Villebrun, and P. Hoeher, ―A comparison of optimaland sub- optimal MAP decoding algorithms operating in the Log do-main,‖ Proc. ICC’95, pp.1009–1013, June 1995. [11] J.P. Kermoal, L. Schumacher, K.I. Pedersen, P.E. Mongensen, andF. Fredriksen, ―A stochastic MIMO radio channel model with experimental validation,‖ IEEE J. Sel. Areas Commun., vol.20, no.6,pp.1211–1226, Aug. 2002. [12] 3GPP, TS45.005 V7.3.0, ―Radio access network; Radio transmissionand reception (Release 7),‖ Nov. 2005. [13] 3GPP2, C.S0024-A Version 1.0, ―cdma2000 high rate packet dataair interface specification,‖ April 2004. [14] C. Berrou, A. Glavieux and P. Thitimajshima, ―Near Shannon limit error- correcting coding and decoding: Turbo-codes,‖ in Proc. IEEE Int. Conf. Commun., ICC ’93, Geneva, Switzerland, May 1993, vol. 2, pp. 1064-1070. [15] H. Taub, D. L. Schilling, ―Principles of Communication Systems,‖ The City College of New York, 1986. 10
11. [16] L. R. Bahl, J. Cocke, F. Jelinek, and J. Raviv, ―Optimal decoding of linear codes for minimizing symbol error rate,‖ IEEE Trans. Inform. Theory , Mar. 1974, vol. IT-20, pp. 284-287. [17] P. Komulainen and K. Pehkonen, ―Performance evaluation of Superorthogonal Turbo Codes in AWGN and flat Rayleigh fading channels,‖ IEEE Journ. Sel. Areas Commun., Feb. 1998, no. 2, vol. 16, pp. 196-205. [18] B. Sklar, Digital Communications. Fundamentals and Applications, Beijing 2001. [19] Y. Kim, J. Cho, W. Oh and K. Cheun, ―Improving the performance of turbo codes by repetition and puncturing,‖ Project Report, Division of Electrical and Computer Engineering, Pohang University of Science and Technology. [20] D. Divsalar, S. Dolinar, and F. Pollara, ―Transfer Function Bounds on the Performance of Turbo Codes,‖ TDA Progress Report 42-122, Aug. 1995, Communications Systems and Research Section, R. J. McEliece California Institute of Technology, pp. 44-55. [21] D. Divsalar and F. Pollara, ―Multiple Turbo Codes for Deep-Space Communications,‖ The Telecommunications and Data Acquisition Progress Report 42-121, Jan.-Mar. 1995, Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California, May 1995, pp. 66-77. [22] A. J. Viterbi, ―An Intuitive Justification and a Simplified Implementation of the MAP Decoder for Convolutional Codes,‖ IEEE Journ. Sel. Areas Commun. , Feb. 1998, vol. 16, pp. 255-264. [23] E. K. Hall and S. G. Wilson, ―Design and Analysis of Turbo codes on Rayleigh fading Channels‖, IEEE Journ. Sel. Areas Commun., Feb. 1998, vol 16, no. 2, pp. 160-174. [24] P. Robertson, ―Illuminating the structure of code and decoder of parallel concatenated recursive systematic (turbo) codes,‖ in Proc. IEEE Glob. Telecommun. Conf., San Franscisco, CA, Dec. 1994, vol. 3, pp. 1298-1303. [25] Spyridon K. Chronopoulos, Giorgos Tatsis, Panos Kostarakis, ― Turbo Codes—A New PCCC Design ‖, Scientific Research, 2011. [26] Spyridon K. Chronopoulos, Giorgos Tatsis, Panos Kostarakis , ―Turbo Coded OFDM with Large Number of Subcarriers‖, Scientific Research, 2012. 11
12. [27] Wang WenJin, Gao XiQi, Wu XiaoFu, You XiaoHu, Zhao ChungMing & Wong Kai-Kit, ― Dual-turbo receiver archtecture for turbo coded MIMO-OFDM systems,‖ in SCIENCE CHINA. Information Sciences, Feb.2012, pp. 384-395. [28] Michael L. Walker, JunTao, Jingxian Wu, and Yahong Rosa Zheng, ―Low Complexity Turbo Detection of Coded Under-Determined MIMO Systems‖, Electrical Engineering, University of Arkansas, Fayetteville, AR 72701, USA, 2011 [29] Suchita Varade, Kishore Kulat, ―Performance Analysis of MIMO-OFDM System using Space-time Turbo Codes and Adaptive Beamforming‖, Department of Electronics & Computer Science. Visvesvaraya National Institute of Technology, Nagpur, India International Journal of Computer Applications (0975 – 8887) Volume 22– No.3, May 2011. [30] Spyridon K. Chronopoulos, Giorgos Tatsis, Panos Kostarakis, ―Turbo Coded OFDM with Large Number of Subcarriers‖, Scientific Research, March 18th, 2012. [31] Rinel Bhownath and Hongjun Xu, ―REPEAT-PUNCTURED TURBO TRELLIS-CODED MODULATION‖, IEEE, 2011. 12
13. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có 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 có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ 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.