Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng mã turbo vào hệ thống hạ tầng truyền thông trên cao

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- Dƣơng Đình Trƣờng 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 BƢU 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 1 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 2 CHƢƠNG 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 3 RSC2 là hai bộ mã chập hệ thống đệ quy với tốc độ mã r1=k/n1 và r2=k/n2. 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. Các bit hệ thống C1k,s Các bit thông tin uk(k) Các bit chẵn lẻ thứ nhất C1k,p Encoder 1 n1-k Ghép xen Puncturing Encoder 2 Các bit chẵn lẻ Các bit hệ thống C2k,s (Không dùng) Các bit chẵn lẻ thứ hai C2k,p n2-k 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/(n1 + n2 - k) = (1/r1 + 1/r2) – 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 - Xem thêm -