Tối ưu chòm sao tín hiệu Star-16QAM cho hệ thống BICM-ID trên kênh pha đinh Rayleigh

Bài viết đề xuất tối ưu hóa chòm sao tín hiệu Star-16QAM thích nghi theo tỉ số SNR (gọi là Adaptive-Star) nhằm tăng giá trị trung bình điều hòa của bình phương cự ly Euclid giữa các điểm tín hiệu, qua đó nâng cao hiệu suất cho hệ thống BICM-ID trên kênh pha đinh.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tối ưu chòm sao tín hiệu Star-16QAM cho hệ thống BICM-ID trên kênh pha đinh Rayleigh Nghiên cứu khoa học công nghệ TỐI ƯU CHÒM SAO TÍN HIỆU STAR-16QAM CHO HỆ THỐNG BICM-ID TRÊN KÊNH PHA ĐINH RAYLEIGH Vũ Thị Thắng1*, Nguyễn Văn Giáo2, Nguyễn Thế Quang2 Tóm tắt: Bài báo đề xuất tối ưu hóa chòm sao tín hiệu Star-16QAM thích nghi theo tỉ số SNR (gọi là Adaptive-Star) nhằm tăng giá trị trung bình điều hòa của bình phương cự ly Euclid giữa các điểm tín hiệu, qua đó nâng cao hiệu suất cho hệ thống BICM-ID trên kênh pha đinh. Kết quả này được đánh giá bằng tính toán giải tích và sử dụng công cụ mô phỏng trên máy tính. Từ khóa: Điều chế mã hóa xáo trộn bit kết hợp Giải mã lặp (BICM-ID); Ánh xạ chòm sao QAM; Kệnh pha đinh Rayleigh. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong [1] Ungerboeck giới thiệu điều chế mã hóa lưới (TCM-Trellis Coded Modulation), mang lại hiệu suất tốt đối với kênh tạp âm Gauss trắng cộng (AWGN: Additive White Gaussian Noise) dựa trên cực đại hóa khoảng cách Hamming giữa các từ mã. Hệ thống điều chế mã hóa xáo trộn bit (BICM: Bit-Interleaved Code Modulation) được đề xuất bởi Zehavi [2]. Nhờ bộ xáo trộn bit tăng sự phân tập về thời gian cho quá trình điều chế mã hóa mang lại hiệu suất tốt cho kênh pha đinh, nhưng giảm khoảng cách Euclidean tự do bình phương nên mang lại hiệu suất không tốt trên kênh AWGN. Sơ đồ BICM kết hợp với giải mã lặp được gọi là BICM-ID (Bit-Interleaved Code Modulation with Iterative Decoding) khắc phục hạn chế của BICM khi truyền qua kênh AWGN bằng cách tăng khoảng cách Euclide tự do [3]. Nhiều công trình nghiên cứu ([4, 5, 6, 7, 8, 9]) cho thấy cách thức ánh xạ tín hiệu trong hệ thống BICM-ID có liên quan mật thiết tới hiệu suất của hệ thống. Một số ánh xạ trên chòm sao QAM giới thiệu trong tài liệu [10], [11] đã được tối ưu hóa theo tiêu chí trung bình điều hòa, cho thấy hiệu suất tương đối gần với điều chế mã hoá bằng mã turbo với độ phức tạp nhỏ hơn. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất tối ưu hóa chòm sao tín hiệu Star-16QAM để tăng giá trị trung bình bình phương cự ly Euclid giữa các điểm tín hiệu giúp nâng cao hiệu suất hệ thống BICM-ID. Nội dung bài báo được sắp xếp như sau: phần 1 giới thiệu tổng quan; phần 2 mô tả hệ thống BICM-ID và tham số quan trọng quyết định đến hiệu suất hệ thống trên kênh pha đinh; phần 3 trình bày việc lựa chọn ánh xạ, điều chỉnh chòm sao tín hiệu Star-16QAM cho hệ thống BICM-ID; phần 4 dùng công cụ mô phỏng để đánh giá phẩm chất BER của hệ thống với bộ ánh xạ đã lựa chọn; phần 5 là kết luận. 2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG BICM-ID Hệ thống BICM-ID được mô tả như hình 1. Chuỗi thông tin ut được mã hóa bởi bộ mã xoắn tạo thành chuỗi bit nhị phân đưa qua bộ xáo trộn để tăng độ phân tập khoảng cách Hamming tối thiểu của mã. Sau quá trình xáo trộn, các bit được chia thành các nhóm dạng v t  vt1 , vt2 , vt3 , vt4 ,...vtm  , được ánh xạ lên các symbol phức trong tập tín hiệu  với kích thước   M  2m (với chòm sao tín hiệu 16-mức có M  16 , m  log 2 16  4 ) thông qua kiểu dán nhãn  : 0,1   . xt    vt  , xt   (1) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 77  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống BICM-ID. Qua bộ tách sóng, tín hiệu nhận được tại đầu thu là [12], [13]: yt  at .xt  nt (2) Trong đó at là hệ số pha đinh đối với hệ thống khi thông tin trạng thái kênh hoàn hảo thì at có thể ước lượng một cách đầy đủ, nt là tạp âm AWGN với mật độ công suất một bên là N 0 . Quá trình giải mã BICM ([2], [14]) số đo bit (bit metric) theo cực đại hóa tỷ lệ hợp lẽ trên miền log (maximum log-likelihood) của các bit nhị phân được tính toán theo (3):    v i  b  log P y v i  b t  t t  (3)  log  P  y x   max log P  y x  t t xt  i t t xt bi b i  1, 2,3,... ; b  1, 0 trong đó,  bi là tập con của  chứa các symbol x   có giá trị nhị phân b  0,1 tại vị trí bit thứ i trong symbol. Bộ giải điều chế dựa trên xác suất hậu nghiệm (posteriori probabilities) và số đo của các bit mã có thể tính theo (4):    vbi  b   log P vti  b yt  log   Px y  xt  bi t t (4)  log  P  y x P  x  t t t xt bi i  1, 2,3,... ; b  1, 0 Trong quá trình giải điều chế, ban đầu ta giả thiết P  xt  là như nhau và dùng làm đầu vào bộ giải mã SISO (soft-input-soft-output) [15] của hệ thống BICM-ID để tạo ra xác suất hậu nghiệm của cả bit thông tin và bit mã. Theo [15], ký hiệu P(q; I ...