zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Kĩ thuật Viễn thông

Nghiên cứu kỹ thuật giải mã mềm với thuật toán BPA-EH cải tiến cho mã LDPC

Chia sẻ: Huỳnh Ngọc Bảo | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Báo xấu

67
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung bài báo trình bày phương pháp giải mã mềm sử dụng thuật toán BPA-EH cải tiến cho mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC - Low Density Parity Check) dựa trên các ma trận kiểm tra tương đương nhằm khắc phục vấn ñề vòng kín ngắn trong mã LDPC mã LDPC.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu kỹ thuật giải mã mềm với thuật toán BPA-EH cải tiến cho mã LDPC

Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) Nghiên cứu kỹ thuật giải mã mềm với thuật toán BPA-EH cải tiến cho mã LDPC Nguyễn Anh Tuấn Phạm Xuân Nghĩa Trường ðại học Công nghệ thông tin & Truyền thông Học viện Kỹ thuật Quân sự ðại học Thái Nguyên Hà Nội, Việt Nam Thái Nguyên, Việt Nam Email: nghiapx@mta.edu.vn Email: natuan@ictu.edu.vn Tóm tắt - Nội dung bài báo trình bày phương pháp giải ñược mã hóa thành từ mã y = y1, y2 ,...yn sau ñó ñược mã mềm sử dụng thuật toán BPA-EH cải tiến cho mã kiểm ñiều chế và truyền trên kênh. ðầu vào bộ giải mã BPA tra chẵn lẻ mật ñộ thấp (LDPC - Low Density Parity là tỷ lệ ước lượng theo hàm log (Log Likelihood Ratio – Check) dựa trên các ma trận kiểm tra tương ñương nhằm LLR) [2,3]: khắc phục vấn ñề vòng kín ngắn trong mã LDPC. Phương pháp này không những cho phép giảm ñáng kể thời gian Pr(yˆi = 0 | r ) L(yˆi ) = log (1) giải mã so với thuật toán BPA-EH (Belief Propagation Pr(yˆi = 1 | r ) Algorithm based on Equivalent Parity Check Matrix H), mà còn mang lại ñộ lợi mã hóa cao hơn so với phương pháp giải mã BPA truyền thống khoảng 0,75 dB trên kênh Ở ñây r là tập các symbol nhận từ kênh và xác suất Gauss và 1,2 dB trên kênh pha-ñinh. ñiều kiện Pr(yˆi = 0 | r ) . Thuật toán BPA [2,3] là thuật toán giải mã lặp có hai công ñoạn chính: Từ khóa— Mã LDPC, ma trận kiểm tra tương ñương, 1. Cập nhật bản tin cho tất cả các nút kiểm tra và gửi giải mã BPA, kênh Gauss, kênh pha-ñinh. bản tin rji (b) từ nút kiểm tra tới các nút bít nối với nó. I. GIỚI THIỆU Mã kiểm tra chẵn lẻ mật ñộ thấp (LDPC-Low 2. Cập nhật bản tin cho tất cả các nút bít và gửi bản Density Parity Check) ñược biết ñến cùng với các thuật tin q ji (b ) từ các nút bit tới các nút kiểm tra nối với nó. toán giải mã: BPA, SPA, MPA...[2]. Các thuật toán này cho chất lượng giải mã khá tốt, tuy nhiên trong các hệ ðầu ra của bộ giải mã là giá trị LLR của các bít mã thống thông tin hiện ñại việc tiết kiệm công suất phát ñược sử dụng ñể quyết ñịnh thành từ mã thăm dò mà vẫn ñảm bảo ñược chất lượng thông tin của hệ thống yˆ = yˆ1 , yˆ2 ,..., yˆn . Khi hội chứng s thỏa mãn ñiều kiện: là vấn ñề thực sự có ý nghĩa. Vì thế, ñã có rất nhiều công trình nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu quả giải mã ˆ T = [0, 0,..., 0] s = y.H (2) cho mã LDPC, trong ñó cải tiến nâng cao chất lượng giải mã vẫn là nội dung ñang tiếp tục ñược nghiên cứu. Thì dừng lặp ñưa ra từ mã hợp lệ yˆ . Nếu ñiều kiện (2) không thỏa mãn thì quá trình ñược thực hiện lại cho Với tính chất của một mã khối tuyến tính, cơ chế phát hiện và sửa sai của mã LDPC dựa vào ña thức kiểm ñến khi ñạt số lần lặp cực ñại γmax và ñưa ra từ mã. tra H . Mặt khác, với ñặc ñiểm riêng của mình, mã B. Thuật toán giải mã BPA-EH LDPC lại cho phép áp dụng kỹ thuật giải mã lặp. Từ hai yếu tố trên ñây gợi cho ta hướng nghiên cứu sử dụng kỹ Như ta ñã biết thuật toán BPA-EH là thuật toán sử thuật giải mã mềm cho mã LDPC. dụng các ma trận kiểm tra tương ñương [1]. Từ lý thuyết của mã tuyến tính, ta thấy một từ mã dùng ñúng y bao II. CÁC THUẬT TOÁN GIẢI MÃ BPA, BPA-EH giờ cũng phải thỏa mãn ñiều kiện (2). ðây là một hệ VÀ Ý TƯỞNG NGHIÊN CỨU phương trình tuyến tính nên việc thay thế một hàng bằng A. Thuật toán giải mã BPA việc cộng các hàng bất kỳ với nhau ñể ñược ma trận Xét mã LDPC (n, k ) với tỷ lệ mã R = k/n (m = n -k kiểm tra tương ñương He thì ma trận này vẫn thỏa mãn là số lượng các bit kiểm tra). Các bit tin u = u1 , u2 ,...uk (2). Ở ñây mới chỉ chỉ xét trường hợp thành lập He ISBN: 978-604-67-0349-5 422
Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) bằng việc thay thế hàng h (a ) của ma trận H bằng cách hàng của H bằng các hàng toàn “0” ta ñã loại bỏ ñược cộng modulo-2 hàng h (b ) và h (c ) . Việc lựa chọn các các vòng kín ngắn trong H , các vòng kín này là nguyên nhân dẫn ñến giảm chất lượng mã LDPC. Ý hàng h (a ) , h (b ) , h (c ) ñược trình bày cụ thể trong [1]. tưởng trên ñây về mặt ñịnh tính sẽ thực sự có ý nghĩa ñối với các mã LDPC ñặc biệt là các mã có ma trận H C. ðặt vấn ñề nghiên cứu kích thước lớn, tuy nhiên việc xác ñịnh số lượng cũng Trong cách giải quyết vấn ñề của [1] vẫn còn các hạn như vị trí hàng bị thay thế tối ưu ñối với các mã này sẽ chế. Thứ nhất, kết quả ñánh giá chưa ñược thực hiện với cực kỳ phức tạp vì ta không thể xác ñịnh cụ thể vị trí kênh pha-ñinh, loại kênh có chất lượng tồi hơn kênh tạp các vòng kín ngắn trong các ma trận này. Do vậy giải âm Gao-xơ trắng cộng tính AWGN (Addative White pháp ñề xuất trong bài báo ñược trình bày như sau: Khi Gaussan Noise) rất nhiều, nhưng lại thường gặp hơn xây dựng ma trận tương ñương He ta thực hiện thay thế trong các hệ thống truyền tin vô tuyến. Thứ hai, việc sử dụng các ma trận kiểm tra tương ñương ñể giải mã làm các hàng của ma trận H gốc với số lượng ≤1/3 tổng số cho khối lượng tính toán tăng lên rất nhiều (ít nhất là hàng của ma trận này bằng các hàng toàn “0”, việc thay bằng số ma trận H tương ñương). Các nhược ñiểm này thế sẽ thực hiện luân phiên với mỗi He tương ứng ở ñược giải quyết, khắc phục nhờ các nghiên cứu ñược ñề mỗi vòng lặp. Với việc thực hiện như trên ta ñã trả lại xuất trong bài báo này. những thông tin về các bit tin bị mất ở vòng lặp trước và giảm lượng thông tin mất mát với mỗi bít tin. Kết III. CÁC ðỀ XUẤT MỚI ðỐI VỚI PHƯƠNG quả mô phỏng ñược trình bày dưới ñây sẽ cho ta những PHÁP GIẢI MÃ BPA-EH ñánh giá ñịnh lượng những khằng ñịnh trên. A. ðề xuất ứng dụng phương pháp giải mã BPA-EH cho kênh pha-ñinh ña ñường IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG, ðÁNH GIÁ Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, ñể tạo ra tính A. Sơ ñồ mô phỏng hệ thống ñộc lập thống kê giữa các tia sóng, ở phía thu người ta ñặt các máy thu RAKE, khi ñó tín hiệu trên các tia nhận ñược là ñộc lập và có thể ñược xử lý song song. Lợi dụng tính chất này, bài báo ñề xuất ý tưởng sử dụng thuật toán giải mã BPA-EH cho kênh pha-ñinh ña ñường theo phương án sau: Thực hiện giải mã ñộc lập trên mỗi tia, tại ñó sử dụng tất cả các ma trận H tương ñương, và kết quả là trên mỗi tia nhận ñược một từ mã yˆi = yˆ1, yˆ2 ,..., yˆn , các từ mã này ñược ñưa vào bộ quyết ñịnh cứng ñể tìm ra từ mã chính xác nhất. Với ý tưởng này ñã kết hợp ñược tính phân tập trong không gian khi truyền sóng ña ñường với tính phân tập theo thời gian khi sử dụng mã một cách tối ña. B. ðề xuất phương pháp xây dựng ma trận kiểm tra Hình 1. Sơ ñồ mô phỏng hệ thống tương ñương rút ngắn thời gian giải mã Trong sơ ñồ này, mã LDPC ñược sử dụng là mã bất Như ñã trình bày trên ñây, trong [1] thực hiện thuật quy tắc [4]. Thuật toán giải mã dựa trên thuật toán toán BPA-EH bằng việc sử dụng các ma trận kiểm tra BPA-EH cải tiến. Theo lý thuyết mã tuyến tính, thì từ tương ñương He , các ma trận này ñược tạo ra bằng ma trận H gốc có thể tạo ra các ma trận He bằng việc việc thay thế hàng (tương ứng với nút kiểm tra kém tin thay thế 1 hàng h (a ) bằng tổng modulo-2 hàng h (b ) và cậy). ðiều này dẫn ñến khối lượng tính toán khi thực hiện giải mã lớn. Ở ñây bài báo ñề xuất phương án xây h (c ) : dựng các ma trận kiểm tra mới như sau: Ngoài việc thay H e = H |row(a )=row(b )⊕row(c ),a ≠b ≠c (3) thế hàng có ñộ tin cậy kém của ma trận H gốc, bên cạnh ñó ta thực hiện thay một số hàng còn lại bằng hàng Việc lựa chọn các hàng h (a ) , h (b ) , h (c ) ñược toàn “0” ñiều này sẽ làm giảm khối lượng tính toán và chọn trên việc xét giá trị syndrome mềm [1]: do ñó dẫn ñến giảm thời gian giải mã ñáng kể. Cơ sở lý ) L(s ) ≈ ∏ sign(L(y )) min | L(y | ) (4) luận của ý tưởng này ñược giải thích như sau: Với mã i j j j ∈V LDPC, một nút bit ñược nối tới nhiều nút kiểm tra, nên i j ∈V khi ta bỏ bớt một số nút kiểm tra vẫn ñảm bảo là nút bit i ) tin cậy dựa vào các bản tin từ nút kiểm tra khác. Mặt | L(s ) |= min | L(s ) |= min | L(y ) | i j (5) min i =1,2...m j =1,2...n khác, ñiều quan trọng hơn là khi thực hiện thay các ISBN: 978-604-67-0349-5 423
Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) Ở ñây smin là nút có giá trị tuyệt ñối của syndrome nhỏ nhất trong lần giải mã ñầu tiên. Như ta ñã biết nút kiểm tra có syndrome nhỏ nhất sẽ kết nối với nút tin có ñộ tin cậy thấp nhất, nên ta chọn a là hàng ứng với L(s min ) có giá trị nhỏ nhất mang dấu dương (việc lựa chọn dấu dương ñảm bảo chắc chắn syndrome này bị lỗi), hàng b ứng với L(s max ) có giá trị lớn nhất mang dấu âm, còn hàng c ứng với L(si ) có giá trị tăng dần với a ≠ b ≠ c . Ngoài việc thay thế hàng như ở trên, ta còn thực hiện xóa bỏ (thay thế bằng hàng có tất cả các phần tử ñều là “0”) ngẫu nhiên một số hàng trừ những hàng có ñộ tin cậy kém ñã thay và hàng có ñộ tin cậy lớn nhất. B. Kết quả mô phỏng + Kết quả mô phỏng ñánh giá chất lượng của thuật toán giải mã BPA-EH cải tiến cho kênh AWGN: Hình 3. So sánh chất lượng giải mã LDPC bằng thuật Hình 2 và Hình 3 trình bày kết quả ñánh giá chất toán BPA, BPA-EH, BPA-EH cải tiến với ma trận lượng mã BPA-EH cải tiến trên kênh AWGN với các H 120×240 trên kênh AWGN. ma trận H 60×120 và H 120×240 . Trên Hình 3 ta thấy, khi xóa một số hàng của He ñồng nghĩa với việc ta phá vỡ 1 hoặc một số vòng kín ngắn trong nó nhưng khi số hàng bị xóa quá lớn sẽ làm giảm khả năng kiểm tra với một số bít tin. Vì vậy, việc sử dụng ma trận H tương ñương kết hợp xóa một số hàng không những làm giảm sự phức tạp trong quá trình tính toán cỡ (10%) ñối với bộ mã có ma trận kiểm tra H 60×120 và 20 % ñối với bộ mã ma trận kiểm tra H 120×240 , mà còn có khả năng tăng chất lượng giải mã so với thuật toán BPA-EH trình bày trong [1], thời gian và chất lượng giải mã sẽ ñược cải thiện hơn ñối với các mã dài. Tuy nhiên ñể ñảm bảo chất lượng giải mã thì phải tìm ñược số hàng bị xóa phù hợp với từng mã, ñặc biệt hơn là tìm ñược các hàng xóa phù hợp. + Kết quả mô phỏng ñánh giá chất lượng của thuật toán giải mã BPA-EH cải tiến cho kênh pha-ñinh: Hình 2. So sánh chất lượng giải mã LDPC bằng thuật Trên cơ sở kết quả mô phỏng trên kênh AWGN, ta toán BPA, BPA-EH, BPA-EH cải tiến với ma trận tiến hành thực hiện thuật toán BPA-EH cải tiến trên H 60×120 trên kênh AWGN. kênh pha-ñinh với bộ mã C 1 ñã xóa 3 hàng và bộ mã C 2 ñã xóa 20 hàng, các kết quả mô phỏng ñược trình Từ Hình 2 cho thấy, ñối với bộ mã C 1 sử dụng ma bày trên Hình 4 và Hình 5. trận H 60×120 , khi thực hiện thuật toán giải mã BPA-EH Kết quả trên Hình 4 và Hình 5 cho thấy, ñối với cải tiến (BPA-EH-erase 6 rows - xóa 6 hàng từ ma trận kênh pha-ñinh ña ñường, nếu dùng phương pháp giải He của BPA-EH) và BPA-EH thì chất lượng giải mã mã BPA-EH và BPA-EH cải tiến cho tín hiệu ñầu vào là tín hiệu tổng hợp của các tia thì chất lượng của 2 thuật tương ñương nhau việc này mang lại ñộ lợi mã hóa toán này tương ñương nhau và tốt hơn so với chất lượng khoảng 0,75 dB ở tỷ lệ lỗi bít Pe = 10−4 so với BPA của thuật toán BPA truyền thống khoảng 1,2 dB. truyền thống, nhưng nếu tăng số hàng bị xóa lên 7 và 12 Bên cạnh ñó kết quả Hình 4 cũng cho thấy, chất thì chất lượng giải mã của BPA-EH cải tiến sẽ xấu ñi so lượng của thuật toán giải mã BPA – EH cải tiến với việc với BPA-EH. ứng dụng ñề xuất giải mã trên kênh pha-ñinh ñã trình bày ở Mục III.A (trên Hình 4 và Hình 5 ñược chú thích ISBN: 978-604-67-0349-5 424
Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) là BPA-EH cải tiến 1) tốt hơn ñáng kể so với thuật toán thời gian khi sử dụng mã một cách tối ña làm cải thiện BPA ban ñầu cỡ 13 dB và cỡ 9 dB so với thuật toán ñáng kể chất lượng giải mã LDPC, ñiều này mở ra một BPA – EH ở tỷ lệ lỗi 10-4 . hướng nghiên cứu mới trong việc ứng dụng mã kênh cho các hệ thống truyền tin bị ảnh hưởng bởi pha-ñinh ña ñường. V. KẾT LUẬN Từ kết quả mô phỏng trình bày trong bài báo, có thể khẳng ñịnh rằng: Các thuật toán giải mã BPA-EH và BPA-EH cải tiến cho chất lượng mã LDPC ñược cải thiện cả trên kênh AWGN và trên kênh pha-ñinh. ðộ lợi trên kênh AWGN khoảng 0,75dB, trên kênh pha-ñinh khoảng 1 dB (ở Pe = 10−4 ). Khi chất lượng kênh tốt lên, thì sử dụng thuật toán BPA-EH cải tiến cho chất lượng tốt hơn so với thuật toán BPA-EH, nó cho ñộ lợi mã hóa ≥ 6 dB so với thuật toán BPA thuần túy. Thuật toán BPA-EH cải tiến cho ñộ lợi về thời gian mã hóa từ 10%-20% so với thuật toán BPA-EH. ðộ lợi này tăng lên cùng với kích thước ma trận kiểm tra H . Hình 4. So sánh chất lượng giải mã LDPC bằng thuật toán BPA, BPA-EH, BPA-EH cải tiến với ma trận TÀI LIỆU THAM KHẢO H 60×120 trên kênh pha-ñinh. [1] Nguyen Tung Hung, “A new decoding algorithm based on equivalent parity check matrix for LDPC codes,” REV Journall on Electronics and Communications, Vol.3, No. 1-2, Jannuary – June, 2013 [2] R,Gallager, “Low-density parity-check codes,” IRE Trans, Information Theory, pp. 21-28. January 1962. [3] William E. Ryan, “An introduction to LDPC codes,” Department of Electrical and Computer Engineering, the University of Arizona, August 19,2003. [4] Thomas J. Richardson, M. Amin Shokrollahi, Member, IEEE, and Rudiger L.Urbanker “Design of capacity-Approaching irregular low-density parity- check codes,”IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 47, No. 2, February 2001. Hình 5. So sánh chất lượng giải mã LDPC bằng thuật toán BPA, BPA-EH, BPA-EH cải tiến với ma trận H 120×240 trên kênh pha-ñinh. Cũng tương tự, từ kết quả Hình 5 cho thấy, chất lượng của thuật toán giải mã BPA – EH cải tiến 1 tốt hơn ñáng kể so với thuật toán BPA ban ñầu cỡ 9 dB và cỡ 6 dB so với thuật toán BPA – EH ở tỷ lệ lỗi 10-4. Sở dĩ có ñược kết quả trên, là do trong quá trình giải mã ñã thực hiện kết hợp ñược tính phân tập trong không gian trong truyền sóng ña ñường với tính phân tập theo ISBN: 978-604-67-0349-5 425

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2430 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.