Giải pháp ánh xạ thích nghi cho hệ thống OFDM bằng mã BICM - ID với các bộ ánh xạ tín hiệu 16 - QAM khác nhau

Giải pháp ánh xạ thích nghi cho hệ thống OFDM bằng mã BICM-ID với các bộ ánh xạ tín hiệu 16-QAM khác nhau Đỗ Công Hùng Khoa CNKT Điện tử-Viễn thông Đại học Thành Đô Email: conghung@thanhdo.edu.vn, doconghung2000@gmail.com Abstract— Yêu cầu nâng cao chất lượng lỗi bít và tốc độ truyền dẫn của một hệ thống thông tin bất kỳ luôn mâu thuẫn với nhau. Trong điều kiện kênh fading chọn lọc theo tần số, kỹ thuật OFDM và các giải pháp thích nghi theo bậc điều chế hay rate matching cho mã Turbo đã được ứng dụng cho hệ thống 4G LTE không đảm bảo được yêu cầu cố định về tốc độ truyền dẫn cho hệ thống. So với các phương thức mã kênh truyền thống, việc sử dụng mã BICM- ID không chỉ chứng tỏ khả năng về tăng ích mã hóa [12] mà còn có khả năng thích nghi để đảm bảo tốc độ truyền dẫn không đổi nhờ việc sử dụng các bộ ánh xạ khác nhau. Tiếp theo các kết quả chứng minh cho giải pháp thích nghi dung BICM-ID với các bộ ánh xạ 8-PSK khác nhau được trình bày trong bài báo [13] tại REV10-2006. Bài báo này trình bày các tính toán và kết quả mô phỏng chứng minh cho giải pháp thích nghi hệ thống OFDM dùng mã BICM-ID với các bộ ánh xạ 16- QAM khác nhau trong điều kiện kênh pha đinh đa đường có sự tác động đồng thời của tạp âm Gauss. Keywords- Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), Adaptive OFDM (AOFDM), Bit Interleaved Coded Modulation with Iterative Decoding (BICM-ID). I. GIỚI THIỆU Như đã biết, là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang, trong những năm gần đây OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng nhờ những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại pha đinh chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp. Cùng với sự ra đời của các chíp FFT (Fast Fourier Transformers) có dung lượng lớn, OFDM đã được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống truyền hình kỹ thuật số DVB-T, các mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.11a, b, g, n, các hệ thống Wimax theo chuẩn 802.16 ...và hệ thống thông tin 4G theo cả hướng LTE và Wimax. Nhằm khai thác tối đa dung lượng của hệ thống OFDM trên các kênh pha đinh băng hẹp, cho đến nay các nghiên cứu và ứng dụng về OFDM thích nghi (AOFDM) được tiến hành theo các hướng: điều chế đa mức trên các băng con [2]; thay đổi thích nghi các tham số OFDM [11]; thích nghi các mã RSSC, mã turbo cho OFDM [2]. Tuy nhiên, các phương pháp thích nghi truyền thống làm thông lượng dữ liệu của hệ thống thay đổi nên là một hạn chế với các hệ thống yêu cầu tốc độ dữ liệu không đổi như truyền Audio-Video hai chiều trong thời gian thực. Mặt khác, do quá trình thích nghi đa mức bị giới hạn bởi ngưỡng SNR mà tại đó các bộ giải mã vẫn làm việc tốt, do đó việc nghiên cứu các bộ mã tốt cho hệ thống OFDM luôn là một công việc cần thiết. Sau mã Turbo, gần đây mã BICM-ID (Bit Interleaved Coded Modulation with Iterative Decoding) được đề suất sử dụng kết hợp với OFDM nhằm đạt được chất lượng lỗi bít tốt nhất[4]. Qua phân tích lý thuyết và các kết quả mô phỏng, chúng tôi thấy rằng hệ thống BICM-ID OFDM khi sử dụng các phép ánh xạ symbol Gray, SP, MSEW (Maximum Squared Euclidean Weight)... sẽ cho các đặc tính lỗi bít khác nhau tại các vùng SNR (Signal to Noise Rate) khác nhau. Dựa trên đặc tính này, bài báo đề xuất một giải pháp thích nghi mới cho hệ thống OFDM là thay đổi thích nghi các bộ ánh xạ theo các ngưỡng SNR khác nhau, cho phép tối đa hóa đặc tính lỗi bít trên toàn dải SNR. Giải pháp này mang lại hiệu quả về đáng kể về tỉ lệ lỗi bít mà vẫn đảm bảo được thông lượng thông tin không đổi, phù hợp cho các ứng dụng 2 chiều trong thời gian thực. Sau khi tính toán và tiến hành các thí nghiệm mô phỏng thành công cho hệ thống BICM-ID- OFDM với bộ điều chế 4 QAM và 8-PSK, chúng tôi tiếp tục tiến hành xây dựng mô hình mô phỏng để chứng minh cho hệ thống BICM-ID- OFDM với các bộ điều chế 16-QAM. Các nội dung tiếp theo của bài báo được sắp xếp như sau: Phần II trình bày cơ sở lý thuyết về OFDM và BICM-ID. Phần III trình bày mô hình mô phỏng hệ thống OFDM-BICM-ID với các bộ ánh xạ khác nhau. Phần IV là các kết quả mô phỏng chứng minh cho giải pháp thích nghi được đề xuất. Phần V là các kết luận được rút ra. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Lý thuyết cơ bản về OFDM và AOFDM Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang được phân bổ trực giao với nhau. Phổ của tín hiệu OFDM được mô tả ở hình 1. Hình 1: Phổ của sóng mang và tín hiệu OFDM Hình 1 cho thấy do tính trực giao, các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang con khác. Với kỹ thuật đa sóng mang dựa trên IFFT và FFT, hệ thông OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng các bộ lọc giải thông mà bằng xử lý băng gốc. Trong hệ thống OFDM, nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên. Do đó sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễ do truyền dẫn đa đường giảm. Mặt khác, do chu kỳ phòng vệ CP được chèn vào giữa các symbol OFDM nên xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI) hầu như bị loại trừ hoàn toàn (hình 2). Trong khoảng thời gian phòng vệ, symbol OFDM được kéo dài theo chu kỳ để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) [11]. Hình 2. Khoảng phòng vệ giữa các Symbol OFDM Với hệ thống sóng mang đơn, một pha đinh hoặc xuyên nhiễu đơn sẽ có tác động tới toàn bộ dữ liệu truyền trên kênh. Trong hệ thống OFDM, do việc truyền dẫn được thực hiện trên nhiều sóng mang trực giao nhau nên chỉ một phần dữ liệu bị ảnh hưởng. Phần dữ liệu bị sai đó sẽ được sửa bằng các mã sửa lỗi thích hợp. Vì vậy khả năng chống pha đinh của hệ thống OFDM phụ thuộc rất nhiều vào khả năng chống nhiễu của các bộ mã sửa lỗi. Đó chính là lý do mà các bộ mã sử dụng cho hệ thống OFDM liên tục được nghiên cứu cải tiến. Nhằm khai thác tối đa dung lượng Shanon biến đổi theo thời gian của các kênh pha đinh băng hẹp, ý tưởng làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang OFDM tuỳ thuộc SNR của sóng mang đó được Steele và Webb đề suất vào năm 1991. Sau đó là các nghiên cứu của Sampei-Osaka, Gold Smith- Stanfor; Peace và Tozer-York; Lau và Mc.Leod - Cambridge cũng như của L.Hanzzo và các đồng nghiệp [2]. Trong các kênh pha đinh chọn lọc theo tần số, lỗi bít thường tập trung tại một vài sóng mang con bị pha đinh, trong khi các sóng mang khác lại không bị pha đinh. Do đó cần nhận diện các sóng mang con có xác suất lỗi bít cao trong symbol OFDM và loại trừ ra khỏi việc mang dữ liệu. Tuy vậy, fading trong miền tần số có thể làm xấu SNR của một số sóng mang này nhưng lại làm tăng SNR của các sóng mang con khác nên sự thiệt hại về thông lượng dữ liệu do việc loại trừ các sóng mang bị pha đinh có thể được bù lại bằng cách sử dụng các bộ điều chế đa mức bậc cao hơn tại các sóng mang có giá trị SNR cao. Tuy nhiên, các phương pháp thích nghi truyền thống cho OFDM làm thông lượng dữ liệu của hệ thống thay đổi nên khó ứng dụng cho các hệ thống yêu cầu tốc độ dữ liệu không đổi như truyền Audio-Vieo hai chiều trong thời gian thực. Sau mã Turbo, mã BICM-ID được đề suất từ nhứng năm 1990 bởi nhóm nghiên cứu Li và Ritcey là bộ mã tốt cho truyền dẫn trên cả kênh Gauss và kênh pha đinh nhờ thừa hưởng ưu điểm của các mã xoắn cơ sở, tăng ích xáo trộn bít và các thuật toán giải mã lặp [4]. Để làm rõ hơn bộ mã BICM-ID cũng như giải pháp thích nghi đề xuất cho hệ thống OFDM, chúng ta sẽ phân tích nguyên lý bộ mã BICM-ID trong mục tiếp theo. 2.2. Cơ sở lý thuyết về BICM-ID Đối với kênh tạp âm Gauss trắng cộng tính (AWGN), kỹ thuật điều chế mã lưới TCM [1] đã chứng tỏ là một phương pháp có hiệu quả để ánh xạ các bít được mã hoá vào tập tín hiệu sao cho cự li Euclid tối thiểu giữa các từ mã là đủ lớn. Tuy nhiên, đối với kênh pha đinh thì tại tỷ lệ tín trên tạp (SNR) cao, chất lượng của mã phụ thuộc vào cự li Hamming tối thiểu giữa các bít mã hơn là phụ thuộc vào cự li Euclid giữa các chuỗi tín hiệu. Để cải thiện hoạt động của mã TCM trên kênh fading, [2, 3] đã đề xuất một sơ đồ khác gọi là điều chế mã có xáo trộn bít BICM (Bit Interleaved Coded Modulation). Trong sơ đồ này, các bít đầu ra của máy mã nhị phân sẽ bị xáo trộn vị trí trước khi được ánh xạ vào tập tín hiệu. Ngoài việc đạt cự li Hamming lớn hơn, sơ đồ BICM còn cho khả năng thích ứng tốc độ truyền dẫn một cách mềm dẻo. Do sử dụng xáo trộn vị trí ở mức bít chứ không phải là ở mức tín hiệu, các sơ đồ BICM hoạt động kém trên kênh Gauss [6]. Lý do là vì qui luật ánh xạ lên tập tín hiệu của BICM không thể tối ưu hoá theo tiêu chuẩn cực đại cự li Euclid tối thiểu giữa các chuỗi tín hiệu. Tuy nhiên, cấu trúc liên kết mã hoá với điều chế thông qua bộ xáo trộn vị trí cho phép thực hiện giải mã lặp một cách rất có hiệu quả. Trên thực tế, bộ Biến đổi Tín hiệu-Bít BSC (Symbol-to-Bit Converter) thực hiện giải điều chế mềm, cùng với bộ giải mã vòng ngoài đầu vào mềm-đầu ra mềm SISO (Soft Input-Soft Output) cung cấp thông tin về độ tin cậy của các bít, cho phép coi cặp Điều chế/Giải điều chế M mức như là log2M kênh nhị phân. Sơ đồ BICM kết hợp với giải mã lặp (Iterative Decoding) được ký hiệu là BICM-ID [6]. Việc sử dụng giải mã lặp không những cải thiện chất lượng của hệ thống trên kênh fading, mà còn cho chất lượng tốt trên kênh Gauss [4, 6]. Hơn thể nữa, điểm mấu chốt ở đây là có thể đạt được các hiệu quả BER khác nhau nhờ sự thay đổi phép ánh xạ Gray được sử dụng trong bộ tạo mã BICM của Zehavi [4,6]. . Hình 3: Sơ đồ bộ mã hóa và giải mã BICM-ID Với phương pháp giải mã lặp cận tối ưu tại máy thu theo hình 2, bộ giải mã Viterbi được thay bằng bộ giải mã đầu vào và đầu ra mềm (SISO) [9]. Đầu ra của nó được phản hồi tới bộ giải điều chế để tính lại giá trị bít. Tại bộ giải điều chế, giá trị tỉ lệ hợp lẽ theo hàm log (LLR) được xác định theo thuật toán cực đại xác suất hậu nghiệm (MAP): 1 0 1 0 2 t 10 2 t 10 ( / ) ( ) ( 1/ ) ( ) log log ( 0 / ) ( / ) ( ) -||r || exp ( ) = log (2 -||r || exp ( ) i t i t i t i t t t ti s Si t t t i t t t t t s S m it t t js S m it t t js S P r s P s P v r LLR v P v r P r s P s s P v N s P v N                             ) Trong đó ( ) i teL v là giá trị thông tin ngoài (Extinsic Information) được tính bởi bộ giải điều chế là: 1 0 2 t 1,0 2 t 1,0 ( 1/ ) ( 1) ( ) log log ( 0 / ) ( 0) -||r || exp ( ) = log (3) -||r || exp ( ) i t i t i i i t t t te i i t tt m it t t j j is S m it t t j j is S P v r P v L v P v r P v s P v N s P v N                             Trong đó ( ) i tP v là xác suất được tính theo thông tin phản hồi từ bộ SISO sau khi xáo trộn và được tính theo công thức: a a a exp(L ( )) ; 1 1 exp(L ( )) ( ) (4) 1 ; 0 1 exp(L ( )) i it ti i t t i ti t v v v P v v v          Thông tin này được đưa tới bộ giải mã mềm sau khi giải xáo trộn bít. Nhờ bộ xáo trộn bít, các bít đã mã hoá ban đầu ở xa nhau có thể được liên kết về một cùng một symbol kênh. Với xáo trộn lý tưởng, sự phản hồi từ các vùng dữ liệu mạnh (ít bị ảnh hưởng của nhiễu kênh) có thể loại bỏ tình trạng tranh chấp trong điều chế bậc cao và cải thiện quá trình giải mã tại các vùng dữ liệu yếu. Với thông tin đầy đủ của các bít khác trong một symbol, điều chế M-PSK hay M-QAM được đưa về điều chế nhị phân cho mỗi vị trí bít. Tuy nhiện, nếu việc phản hồi chứa lỗi thì chúng ta sẽ nhận được một constellation nhị phân sai. Do đó, phản hồi mềm, xáo trộn được thiết kế tốt và kiểm soát lỗi là điểm mấu chốt đển nhận được các tăng ích của BICM-ID.Dù có phức tạp hơn phản hồi quyết định cứng, phản hồi mềm là điểm mấu chốt để có được tăng ích của BICM-ID trong khi giảm việc truyền lỗi. 2.3. Thiết kế các bộ ánh xạ tín hiệu 16-QAM Chất lượng tổng thể của hệ thống BICM-ID phụ thuộc vào chất lượng giải điều chế khi chưa có thông tin tiên nghiệm (khi hệ thống làm việc ở vùng SNR thấp) và mức độ cải thiện khi có lượng thông tin phản hồi trong các lần lặp sau (khi hệ thống làm việc ở vùng SNR cao). Độ tin cậy của lượng tin phản hồi lại phụ thuộc rất nhiều vào khoảng cách Euclid của các bít trước đó và tỉ lệ SNR của tín hiệu. Tóm lại, chất lượng của BICM-ID phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc các phép ánh xạ tín hiệu trong hệ thống. Nhận xét này đúng cho tất cả các bộ điều chế khác nhau. Trong bài báo này, chúng ta xét cụ thể cho bộ điều chế 16-QAM. Cấu trúc và sự biểu diễn cự li bít của các bộ ánh xạ 16-QAM truyền thống được mô tả tại hình 4. Trước hết, theo truyền thống bộ ánh xạ Gray (hình 4.a) được coi là tối ưu do các điểm lân cận trên constellation chỉ khác nhau 1 bít. Nếu giải điều chế nhầm giữa hai điểm lân cận chỉ dẫn đến sai 1 bít tín hiệu Nhận định này vẫn đúng trong giải mã lặp tại SNR thấp hoặc khi số vòng lặp thấp (khi hệ thống làm việc ở chế độ thông tin tiên nghiệm thấp). Tại SNR cao, hệ thống làm việc dựa vào thông tin tiên nghiệm (4) để tính toán (3), với thông tin đầy đủ từ 2 bít kia trong symbol, bộ giải điều chế 16-QAM đưa về giải điều chế nhị phân. Do đó khoảng cách Euclid giữa 2 điểm quyết định tới độ tin cậy khi quyết định bít còn lại đó là 0 hay 1. Trong constellation 16-QAM chuẩn hoá, phép ánh xạ Gray các bít 1, 2, 3,4 có các cự ly Euclid không đều và cự ly bình phương tối thiểu là 4 nên giá trị thông tin ngoài và độ tin cậy bản thân thấp. Dù có thông tin từ 2 bít kia việc xác định bít còn lại vẫn dễ bị nhầm lẫn. Do đó, với thuật toán giải mã lặp, rõ ràng phép gán nhãn Gray không phải là sự lựa chọn hoàn hảo. Chúng ta cần tìm các phép ánh xạ khác có các cự ly bít cao hơn nhằm có được chất lượng BER tốt hơn ở vùng SNR cao (khi có giá trị thông tin ngoài lớn). Chúng tôi tìm ra một phương pháp đơn giản nhưng hữu hiệu trong thiết kế các bộ ánh xạ symbol M-PSK và M-QAM cho bộ mã BICM-ID. CU LY BIT 1 00000001 00100011 01000101 01100111 10001001 10101011 11001101 11101111 CU LY BIT 2 00000001 00100011 01000101 01100111 10001001 10101011 11001101 11101111 CU LY BIT 3 00000001 00100011 01000101 01100111 10001001 10101011 11001101 11101111 CU LY BIT 4 00000001 00100011 01000101 01100111 10001001 10101011 11001101 11101111 (a) Gray mapping [11 10 7 6 12 9 8 5 15 14 3 2 16 13 4 1] CU LY BIT 1 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 CU LY BIT 2 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 CU LY BIT 3 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 CU LY BIT 4 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 (b) SP mapping [1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16] Hình 4. Các sơ đồ ánh xạ 16-QAM truyền thống Từ công thức (3) cho thấy rằng giá trị LLR của mỗi bít trong nhãn nhị phân của tín hiệu phụ thuộc vào tín hiệu thu được và phụ thuộc vào thông tin về các bít khác, ngoài bít đang xét, được phản hồi về từ bộ giải mã. Giả thiết rằng thông tin phản hồi là đủ tin cậy, kênh truyền với điều chế 2 mM  mức có thể được coi là m kênh truyền song song. Mỗi symbol 16- QAM tương ứng với 4 bít và mỗi phép ánh xạ của 16-QAM được biểu diễn bằng một véc tơ  1621 .......,, pppp  với 161,  ipi đại diện cho điểm 1 tín hiệu được dán nhãn nhị phân  4321 ,,,  vp  có giá trị trong hệ đề các là i. Các bộ ánh xạ mới được thiết kế dựa trên ánh xạ từ khối bít tới constenlation sao cho bít có độ bảo vệ bít thấp được kết hợp với bít có độ bảo vệ bít cao hơn. Như vậy độ bảo vệ bít trung bình của cả khối bit sẽ lớn hơn. Vậy nhờ các biến đổi tuyến tính đơn giản, chúng ta có thể tìm được các bộ ánh xạ symbol mới, có các cự ly bít lớn hơn như các bộ ánh xạ Gray modified và MSEW (Hình 5). CU LY BIT 1 00000001 00100011 01000101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 11001101 11101111 CU LY BIT 2 00000001 00100011 01000101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 11001101 11101111 CU LY BIT 3 00000001 00100011 01000101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 11001101 11101111 CU LY BIT 4 00000001 00100011 01000101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 11001101 11101111 Gray modified mapping [11 10 7 6 12 9 5 8 15 2 3 14 16 13 4 1] CU LY BIT 1 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 CU LY BIT 2 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 CU LY BIT 3 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 CU LY BIT 4 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 MSEW mapping [11 4 5 14 1 10 15 8 13 6 3 12 7 16 9 2] Hình 5. Sơ đồ ánh xạ Gray modified và MSEW Do có các khoảng cách Euclid khác nhau, mỗi bộ ánh xạ sẽ mang lại cho hệ thống OFDM-BICM-ID một đặc tính BER theo SNR khác nhau. Cũng có thể thấy rằng, mỗi bộ ánh xạ tín hiệu chỉ có thể cho kết quả BER tốt tại một vùng SNR nhất định. Từ nhận xét này, chúng tôi đề suất biện pháp thích nghi mới cho hệ thống OFDM sử dụng mã BICM-ID. Đó là căn cứ vào các giá trị SNR trên mỗi sóng mang OFDM, ta sử dụng một phương pháp ánh xạ khác nhau, đảm bảo đặc tính BER tối đa cho hệ thống mà vẫn đảm bảo được thông lượng thông tin là không đổi. Phương pháp thiết kế các bộ ánh xạ khác nhau được trình bày trong tài liệu [14]. Quá trình mô phỏng tiếp theo được thực hiện để minh hoạ cho hiệu quả của giải pháp thích nghi trên. III. MÔ HÌNH HỆ THỐNG 3.1. Mô hình mô phỏng hệ thống OFDM Sơ đồ mô phỏng hệ thống OFDM được xây dựng theo mô hình chuẩn HIPERLAN-II, bộ điều chế 16-QAM sử dụng mã xoắn (7, [133, 171]) lấy tương thích mô hình SIMULINK của phần mềm MATLAB. Khi truyền tín hiệu 16QAM qua kênh Rice có hệ số K=4 và độ dịch tần Doppler D=40Hz, đồng thời chịu tác động của tạp âm Gauss tại SNR=10 dB, constellation của bộ tín hiệu bị xoay pha và phân tán đến mức không thể nhận ra được (hình 6.a). 0 5 10 15 20 25 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 SNR B E R KET QUA BER HE THONG OFDM HIPERLAN II-16QAM k=4 k=16 k=32 k=100 k=1000 Gauss (a) (b) Hình 6.(a) Constellation của bộ tín hiệu 16-QAM trên kênh pha đinh Rice với hệ số k=4, độ dịch tần D=40Hz, đồng thời với tạp âm Gauss với SNR=10dB .(b) kết qủa BER của hệ thống OFDM-16 QAM dùng mã xoắn (7,[133,171]) với k khác nhau. Cũng với mô hình trên khi k=1000 thì kết quả khảo sát BER của Hệ thống khi truyền trên kênh Rice tiệm cận với kết quả BER khi truyền trên kênh Gauss. Chúng ta thấy rằng hệ thống OFDM với bộ mã xoắn truyền thống chỉ có thể hoạt động tốt trên kênh Gauss hoặc kênh Rice có hệ số K > 100 và tương đối tĩnh (D<40Hz). 3.2. Mô hình mô phỏng hệ thống Adapptive OFDM-BICM-ID Mô hình hệ thống OFDM sử dụng mã BICM-ID thiết kế cho bộ điều chế 16-QAM được mô tả tại hình 7. Hình 7a. Mô hình hệ thống OFDM sử dụng mã BICM-ID Trong mô hình, các khối chức năng được thiết kế từ các khối trong thư viện simulink của gói phần mềm mô phỏng MATLAB 7.0. Các tham số trên mỗi băng con OFDM được chọn tương tự như chuẩn HIPERLAN-II: Số sóng mang dữ liệu trên mỗi băng con là 48, số sóng mang Pilot là 4, kích cỡ FFT là 64. Bộ mã cơ sở dùng cho BICM-ID cũng là mã xoắn (7, [133,171]) với số lần lặp bằng 3. Về các khối cơ bản, hệ thống cho 16QAM tương tự hệ thống 8- PSK, nhưng việc thiết kế cụ thể BICM-ID với các bộ ánh xạ 16-QAM phức tạp hơn rất nhiều. Hình 7 b. Khối Điều chế 16-QAM với các bộ ánh xạ Sau một số thí nghiệm, chúng tôi chọn các phép ánh xạ điển hình nhất, tức các phép ánh xạ cho các kết quả khác nhau nhất ở các vùng SNR khác nhau là SP, Gray, Gray modified và MSEW như đã nêu tại mục 2.2. Hình 7c. Khối Giải điều chế 16-QAM với các bộ ánh xạ Hệ thống AOFDM-BICM-ID được thích nghi trên cơ sở các băng con gồm 48 sóng mang con dữ liệu và 4 sóng mang Pilot như trên.Việc thích nghi trên các băng con như vậy sẽ làm đơn giản hoá việc truyền các thông tin báo hiệu [2]. IV. KẾT QUẢ Kết quả mô phỏng hệ thống AOFDM-BICM-ID với các phương pháp ánh xạ khác nhau được thể hiện trên hình 8. Đường cong đánh dấu sao trên các hình 8 b, c, d mô tả đặc tính lỗi bít của hệ thống OFlDM theo chuẩn HIPERLAN II, có các tham số OFDM tương tự và dùng mã xoắn (7, [133,171]) thông thường Tại vòng lặp đầu tiên, phép ánh xạ Gray cho kết quả BER tốt nhất, đúng theo phân tích tại mục 3.2. 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 SNR B E R KET QUA BER HE THONG OFDM-BICM-ID 16-QAM-MA (3,[5,7]) LAP 1 SP Gray Graymodified MSEW Adaptive HIPERLAN-II 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 SNR B E R KET QUA BER HE THONG OFDM-BICM-ID 16-QAM-MA (3,[5,7]) LAP 3 SP Gray Graymodified MSEW Adaptive Hiperlan II (a) (b) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 SNR B E R KET QUA BER HE THONG OFDM-BICM-ID 16-QAM-MA (3,[5,7]) LAP 6 SP Gray Graymodified MSEW Adaptive Hiperlan II 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 SNR B E R KET QUA BER HE THONG OFDM-BICM-ID 16-QAM-MA (3,[5,7]) LAP 9 SP Gray Graymodified MSEW Adaptive HIPERLAN-II (c) (d) Hình 8. Kết quả BER hệ thống AOFDM-BICM-ID16- QAM lặp 1, 3, 6, 9 với các phép ánh xạ tín hiệu Sau 3,6,9 chu kỳ giải mã lặp, hệ thống đạt được các BER khác nhau tại các vùng SNR khác nhau nhờ tăng ích giải mã lặp (hình 6.b,c,d). Lúc này hiệu quả thích nghi (được biểu diễn bằng các đường cong đánh dấu tròn) trở nên rõ rệt. Theo kết quả hình 8 (b) với BER mục tiêu bằng 10-4, chỉ với số vòng lặp bằng 3, hệ thống thích nghi đã có tăng ích tới 3 dB. Dựa trên các kết quả đạt được, hoàn toàn có thể kết luận rằng việc đề xuất sử dụng bộ mã BICM-ID cũng như phương pháp thích nghi mới cho hệ thống OFDM với các bộ ánh xạ khác nhau có thể mang lại những tăng ích vượt trội về tỉ lệ lỗi bít khi truyền dẫn qua kênh pha đinh có sự tác động đồng thời của nhiễu Gauss trong khi vẫn đảm bảo thông lượng của hệ thống không đổi là 4bit trên một sóng mang con. V. K ẾT LU ẬN Dựa trên cơ sở lý thuyết của OFDM và mã BICM-ID, bài báo này đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng hệ thống OFDM-BICM-ID với các bộ ánh xạ 16-QAM khác nhau. Các kết quả mô phỏng trên khôn chỉ một lần nữa chứng minh chất lượng lỗi bít vượt trội của hệ thống OFDM-BICM-ID so với hệ thống OFDM sử dụng các mã truyền thống mà còn đảm bảo tốc độ truyền dẫn không đổi trong điều kiện kênh pha đinh chọn lọc theo tần số. Giải pháp thích nghi trên không chỉ áp dụng cho các hệ thống OFDM 8-PSK hay 16-QAM mà hoàn toàn có thể mở rộng cho các bộ điều chế M-QAM bậc cao hơn. Kết quả nghiên cứu khảo sát chất lượng các hệ thống OFDM- BICM-ID so sánh với việc sử dụng mã Convolution hay Turbo và tăng ích của nó trong các ứng dụng cụ thể như Truyền hình số sẽ được trình bày trong các bài báo tiếp theo. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S.Hara, R.Prasad, 2003 ''Multicarier Techniques for 4G Mobile Communications''. [2] L. Hanzo, W. Webb, and T. Keller, „‟Single-and Multi-Carrier Quadrature Amplitude Modulation‟‟. New York: IEEE Press/Wiley, Apr. 2000. [3] Zhang Zhao-yang, Lai Li-feng,2003 ''A novel OFDM transmission scheme with leng- adptive Ciclic Prefix‟‟Journalof Zhejiang University Science ISSN 1009-3095. [4] X. Li and J. A. Ritcey, “Bit-interleaved coded modulation with iterative decoding,” IEEE Commun. Lett., vol. 1, pp. 169–171, Nov. 1997. [5] A. J. Viterbi and J. K. Omura, Principles of Digital Communication and Coding. New York: McGraw-Hill, 1979. [6] E. Zehavi, “16-QAMtrellis codes for a Rayleigh fading channel,” IEEE Trans. Commun., vol. 40, pp. 873–883, May 1992. [7] G. Ungerboeck, “Channel coding with multilevel/ phase signals,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 28, pp. 56–67, Jan. 1982. [8] G. Caire, G. Taricco, and E. Biglieri, “Bit-interleaved coded modula- tion,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 44, pp. 927–946, May 1998. [9] S. Benedetto, D. Divsalar, G. Montorsi, and F. Pollara, "A soft-input soft-output APP module for iterative decoding of concatenated codes", IEEE Commun. Letters, vol. 1, pp. 22-24, Jan. 1997. [10] X. Li, A. Chindapol, and J. A. Ritcey, "Bit-Interleaved coded modulation with iterative decoding and 8PSK signaling," IEEE Trans. on Commun., vol. 50, no. 8, pp. 1250-1257, Aug. 2002. [11] R.Van. Nee, ,“OFDM for Wireless Mutimedia Commu.,” Artech House, Boston, London, 2000. [12] Đỗ Công Hùng, Đinh Thế Cường, Nguyễn Quốc Bình, “Nâng cao Chất lượng Hệ thống OFDM bằng BICM-ID”, Chuyên san Các công trình nghiên cứu- Triển khai Viễn thông và Công nghệ thông tin, Bộ Bưu chính Viễn thông, tháng 2/2007. [13] Do Cong Hung, Tran Xuan Nam, Dinh The Cuong, “Adaptive Mapping for BICM-ID OFDM Systems”, Biennial Vietnam conference on Radio and Electronics (REV 2006), November 6-7, 2006. [14] Đỗ Công Hùng, Đinh Thế Cường, Nguyễn Quốc Bình , “ Phương pháp thiết kế các bộ ánh xạ tín hiệu cho hệ thống AOFDM dùng mã BICM- ID”, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, Học viện KTQS, số 117 (IV-2006). [15] Zhixing Yang, Qiuliang Xie, Kewu Peng, and Jian Song, “ Labeling Optimization for BICM-ID Systems”, IEEE Communications Letters, Vol. 14, No. 11, November 2010.