Tái sử dụng CP cho hệ thống BICM-ID OFDM

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. A. Thắng, Đ. T. Cường, P. X. Nghĩa, “Tái sử dụng CP cho hệ thống BICM-ID OFDM.” 68 TÁI SỬ DỤNG CP CHO HỆ THỐNG BICM-ID OFDM Trần Anh Thắng 1*, Đinh Thế Cường2, Phạm Xuân Nghĩa3 Tóm tắt: Một trong những lý do quan trọng nhất để thực hiện truyền dẫn ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là hiệu quả xử lý trải trễ đa đường bằng tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix). Tuy nhiên, tiền tố vòng này lại bị loại bỏ khi thu mặc dù nó mang thông tin. Bài báo này nghiên cứu và đề xuất một kỹ thuật có thể sử dụng lại CP và thuật toán giải mã lặp trong hệ thống BICM-ID OFDM (gọi là hệ thống kết hợp giữa sơ đồ điều chế mã có xáo trộn bít kết hợp giải mã lặp với truyền dẫn OFDM) để nâng cao hiệu quả hệ thống, và được gọi là hệ thống BICM-ID OFDM tái sử dụng CP. Dựa trên các thông số của chuẩn LTE (Long Term Evolution), kết quả mô phỏng cho hệ thống BICM-ID OFDM tái sử dụng CP đề xuất cho tăng ích từ khoảng 0,25dB đến 1dB so với hệ thống BICM-ID OFDM thông thường trên cả kênh Gao-xơ và kênh pha-đinh đa đường. Từ khóa: Viễn thông, BICM-ID OFDM, Chuẩn LTE, Tái sử dụng CP. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Với ưu điểm là tiết kiệm băng thông, có thể truyền dẫn tốc độ cao cùng với khả năng chống lại pha đinh chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp, hệ thống truyền dẫn OFDM không ngừng được nghiên cứu, mở rộng phạm vi ứng dụng và là xu hướng cho phát triển của thế hệ truyền dẫn tiếp theo. Các hệ thống thực tế sử dụng kỹ thuật OFDM được kể đến như: hệ thống DVB-T, HIPERLAN II, chuẩn WiFi IEEE 802.11a [1], các chuẩn của WiMAX IEEE 802.16 [2], và đặc biệt là chuẩn LTE dành cho hệ thống di động 4G hiện nay [3]. Sơ đồ điều chế mã có xáo trộn bít kết hợp với giải mã lặp BICM-ID (Bit-Interleaved Coded Modulation with Iterative Decoding), được đề xuất lần đầu trong bài báo [4] với cấu trúc liên kết điều chế /mã (CM: Coded Modulation) phát huy hiệu quả cao cả trên kênh pha-đinh nhờ có xáo trộn dãy bit (BI: Bit Interleved) và cả trên kênh Gao-xơ nhờ nguyên lý giải mã lặp (ID: Iterative Decoding). Chất lượng của hệ thống BICM-ID có thể so sánh với hệ thống Turbo kết hợp kỹ thuật điều chế mã lưới (Turbo Trellis Coded Modulation - TTCM) [5]. Hơn nữa, với hệ thống BICM-ID chỉ cần một bộ giải mã thông tin đầu vào mềm – đầu ra mềm SISO (Soft Input – Soft Output), trong khi trong hệ thống TTCM lại yêu cầu hai bộ. Việc kết hợp sơ đồ BICM-ID với kỹ thuật truyền dẫn OFDM sẽ cho hiệu quả cao và đã được chỉ ra trong các bài báo [6-8]. Ngoài ra, việc kết hợp này phù hợp với các hệ thống thực tế mà vẫn đem lại hiệu quả của sơ đồ BICM-ID cũng đã được chỉ ra trong [9]. Trong kỹ thuật OFDM, khoảng thời gian bảo vệ là tiền tố vòng CP nhằm mục đích thực hiện được kỹ thuật IDFT/DFT và khử được các hiện tượng nhiễu giữa các sóng mang (ICI) và nhiễu giữa các symbol (ISI) [10]. Dải bảo vệ này thường là bản sao của đoạn cuối symbol OFDM (phần thân) được đưa lên ghép vào đầu symbol để tạo thành một symbol OFDM hoàn chỉnh trước khi phát đi. Để tránh ISI, tiền tố vòng CP thường dài hơn trải trễ của kênh và chúng bị loại bỏ tại máy thu. Tuy nhiên, tiền tố vòng là thông tin sao chép phần cuối cùng của symbol OFDM (phần thân), vì vậy, nó có tính phân tập về thời gian và có mang thông tin (đoạn cuối của phần thân). Mặt khác, khoảng bảo vệ thường được chọn dài hơn độ trễ của kênh nên vẫn có một lượng thông tin trong khoảng bảo vệ không bị chồng lấn với thông tin của symbol OFDM khác nên có thể sử dụng được thông tin này. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 69 Chính vì vậy, bài báo này đề xuất một hệ thống mới cho phép tái sử dụng CP dựa trên hệ thống BICM-ID OFDM trong [9]. Hệ thống tái sử dụng CP này gồm 2 nhánh thu, nhánh thứ nhất thực hiện thu symbol OFDM hoàn chỉnh và loại bỏ CP như hệ thống OFDM thông thường, nhánh thứ hai sau khi thu symbol OFDM hoàn chỉnh, đoạn CP được tách ra và thay thế vào phần cuối symbol OFDM (phần thân) đã sao chép ở phía phát. Trên cơ sở giải mã lặp, các thông tin mềm sau giải mã của 2 nhánh sẽ được tổng hợp lại sau mỗi vòng lặp và được quyết định sau một số vòng lặp để đưa thông tin ra. Kết quả cho thấy chất lượng của hệ thống đề xuất tốt hơn hệ thống BICM-ID OFDM thông thường. Hiệu quả đó phụ thuộc vào bộ xáo trộn, độ dài đoạn CP áp dụng trên cả kênh Gao-xơ và kênh pha-đinh đa đường lựa chọn tần số. Trọng tâm của bài báo bao gồm đề xuất và phân tích sơ đồ hệ thống, cơ sở toán học để xây dựng sơ đồ, mô phỏng và đánh giá hiệu quả của sơ đồ đề xuất. Cấu trúc của bài báo gồm 5 phần, ngoài phần đặt vấn đề, phần hai giới thiệu sơ đồ hệ thống BICM-ID OFDM tái sử dụng CP, phân tích về hệ thống này được chỉ ra ở phần thứ 3. Các tham số và kết quả mô phỏng, so sánh, đánh giá và thảo luận về hiệu quả của sơ đồ đề xuất được chỉ ra ở phần 4. Cuối cùng là các kết luận và hướng phát triển tiếp theo. 2. HỆ THỐNG BICM-ID OFDM TÁI SỬ DỤNG CP Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống BICM-ID OFDM tái sử dụng CP. Sơ đồ khối hệ thống BICM-ID OFDM tái sử dụng CP được đề xuất ở hình 1. Hoạt động của sơ đồ này về cơ bản là giống sơ đồ BICM-ID truyền thống, được phân tích như sau: thông tin đầu vào u được mã hoá thành thông tin c rồi được đưa đến xáo trộn được các thông tin v . Các thông tin v này sau khi qua khối điều chế được tập các tín hiệu s sau điều chế rồi được đưa đến khối phát OFDM. Khối phát OFDM sẽ thực hiện các biến đổi IFFT, tổng hợp thành các symbol OFDM, thêm thành phần tiền tố vòng CP tạo thành tập tín hiệu cpx phát đi trên kênh. Các thông tin sau khi qua kênh truyền, tại phía thu nhận được các symbol OFDM y vẫn bao gồm đầy đủ thành phần CP. Tín hiệu thu được chia làm hai nhánh: Nhánh 1 đưa u c v s x uˆ ( ; )kP c O ( ; )kP c I ( ; )kP v O y r ( ; )cp kP v O( ; )cp kP c I Giải mã SISO Mã hoá Giải xáo trộn Xáo trộn Thông tin vào Điều chế Giải điều chế Khối phát OFDM Khối thu OFDM Xáo trộn Thông tin ra Kênh truyền Giải mã SISO Giải xáo trộn Khối thu OFDMCP Cộng Quyết định ( ; )cp kP v I Giải điều chế CPr ( ; )cp kP u O Xáo trộn ( ; )kP v I ( ; )cp kP c O ( ; )kP u O Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. A. Thắng, Đ. T. Cường, P. X. Nghĩa, “Tái sử dụng CP cho hệ thống BICM-ID OFDM.” 70 đến khối thu OFDM để loại bỏ CP như thông thường; Nhánh 2 đưa đến khối thu OFDMCP, khối này thực hiện việc lấy đoạn CP và thay thế vào đoạn thông tin tương ứng với đoạn CP nằm trong phần thân của symbol OFDM. Hoạt động của nhánh 1 và nhánh 2 song song và độc lập với nhau. Trên nhánh 1, symbol OFDM được thực hiện FFT để được các tín hiệu thu r , tín hiệu thu này được đưa đến khối giải điều chế mềm để tính số đo bít, số đo bít này thông qua bộ giải xáo trộn thành thông tin tiên nghiệm cho bộ SISO để tính giá trị thông tin hậu nghiệm và thông tin ngoại lai. Thông tin ngoại lai sau khi qua bộ xáo trộn trở thành thông tin tiên nghiệm cho khối giải điều chế mềm để tính lại số đo bít cho vòng lặp tiếp theo. Thông tin hậu nghiệm nhánh 1 sau mỗi một vòng lặp được đưa đến khối Cộng, khối này cộng dồn các giá trị hậu nghiệm của cả hai nhánh sau mỗi vòng lặp. Tương tự trên, tín hiệu thu ở nhánh 2 qua khối OFDMCP thu được cpr , tín hiệu này cũng được giải lặp như trên, các thông tin hậu nghiệm được đưa đến khối Cộng để cộng với nhánh 1 sau mỗi vòng lặp. Sau một số vòng lặp, các thông tin hậu nghiệm tổng sẽ được đưa tới bộ quyết định để tạo thành thông tin ra. 3. PHÂN TÍCH HỆ THỐNG BICM-ID OFDM TÁI SỬ DỤNG CP Chuỗi k bít đầu vào 1 2[ , ... ]ku u uu được đưa tới bộ mã hoá là mã chập tốc độ /k n , đầu ra bộ mã hoá sẽ là nhóm n bit mã 1 2[ , ... ]nc c cc . Thay cho việc hoán vị các symbol như trong các hệ thống hoán vị symbol thông thường, bộ xáo trộn thực hiện việc hoán vị các bit sau mã hoá tạo thành các nhóm bit: 1 2( , , , )mi i i iv v vv  với 2log , i 1, 2, , / m M n m   , nhóm bít này được đưa đến khối OFDM và được chia thành N luồng dữ liệu song song        0 1 1, ,..., T Nq S q S q S q   S với q là chỉ số của một symbol OFDM trong chuỗi OFDM phát đi và véc tơ  * Tf là véc tơ chuyển vị của  *f . Sau đó, N luồng dữ liệu song song được điều chế bởi bộ điều chế (M-QAM) được một véc tơ phức        0 1 1, ,..., T Nq X q X q X q   X , rồi véc tơ  qX được đưa đến khối IFFT N điểm, kết quả ta được một véc tơ trên miền thời gian        0 1 1, ,..., T Nq x q x q x q   x , véc tơ này được chèn thêm tiền tố vòng ở khối chèn CP với độ dài G ta được:                             1 1 0 1 1 (0) (1) ( 1) ( ) ( 1) ( 1) , ,..., , , ,..., ,..., , ,..., , , ,..., . T N G N G N N G N T cp cp cp G cp G cp G cp N G q x q x q x q x q x q x q x q x q x q x q x q x q x q                   cpx Gọi véc tơ hàm truyền của kênh là        0 1 1, ,..., T Dq h q h q h q   h với D là trải trễ lớn nhất của kênh truyền ( D G ), véc tơ nhiễu Gao-xơ là z , véc tơ tín hiệu thu được sẽ được viết như sau: .cpy = x *h + z (1) Với kênh Gao-xơ, hàm truyền của kênh 1h . Với kênh pha-đinh, 1h và (1) được khai triển một cách cụ thể như sau: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 71 (0) 0 (1) 1 2( 2) . ...... cph cph N G Dcph N G D x z x z zx                                 cpy x *h z (2) Trong đó, các giá trị ( )cph kx là các kết quả của phép tính tích chập của cpx *h : 2 ( ) ( ) 0 . . N G D cph k cp i k i i x x h        (3) Trong (2), véc tơ nhận được có độ dài là 1N G D   là do các thành phần tín hiệu đa đường đến trễ, do đó, khi đến máy thu, các thành phần đa đường đến trễ sẽ bị loại bỏ ( 1D  đoạn cuối cùng) để lấy đúng độ dài một symbol OFDM đầy đủ, do đó, ta có: (0) 0 (1) 1 1( 1) . ...... cph cph N Gcph N G x z x z zx                             y (4) Theo sơ đồ hình 1, tín hiệu cho trong (4) được chia làm hai nhánh, nhánh đầu tiên (Nhánh 1 - nhánh phía trên ở phần thu) sẽ thực hiện loại bỏ CP như bình thường: ( )0 ( 1)1 1 1 1( 1) ' . ... ...... cph G G cph G G N N Gcph N G xy z xy z y zx                                       y (5) Nhánh thứ 2 (nhánh bên dưới) sẽ lấy đoạn CP và thay thế vào G vị trí cuối cùng: ( ) ( 1) 1 (0) (1) ( 1) 1 0(0) ( 1) 1( 1) ... ... ' . ... ...... cph G G cph G G cp cp cph N G N G cph cp N Gcph G x z x zy y x z zx y zx                                                           cpy (6) Trong trường hợp này, đoạn CP được thay thế là cả đoạn CP, nếu chỉ thay một phần của đoạn CP thì cũng tương tự như biểu thức (6) độ dài đoạn CP sẽ thay đổi tương ứng. Các khảo sát sẽ được chỉ ra trong phần các kết quả và thảo luận được đưa ra ở phần sau. Các véc tơ thu được 'y và 'cpy sau khi tiến hành FFT sẽ được đưa đến phần giải lặp của sơ đồ BICM-ID tại đầu thu, phần này có thể dùng thuật toán giải mã quyết định cứng hoặc quyết định mềm, được trình bày cụ thể trong [5, 6, 11]. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. A. Thắng, Đ. T. Cường, P. X. Nghĩa, “Tái sử dụng CP cho hệ thống BICM-ID OFDM.” 72 Để thuận tiện cho phân tích sơ đồ, ký hiệu I và O biểu thị cho đầu vào (Input) và đầu ra (Output), các ký hiệu xác suất thể hiện như sau: ( ; )kP v O , ( ; )cp kP v O : thông tin ngoại lai, lối ra giải điều chế nhánh 1, nhánh 2 (nhánh CP). ( ; )kP c O , ( ; )cp kP c O : thông tin ngoại lai, lối ra giải mã nhánh 1, nhánh 2. ( ; )kP v I , ( ; )cp kP v I : thông tin tiên nghiệm, lối vào giải điều chế nhánh 1, nhánh 2. ( ; )kP c I , ( ; )cp kP c I : thông tin tiên nghiệm, lối vào giải mã nhánh 1, nhánh 2. ( ; )kP u O , ( ; )cp kP u O : xác suất hậu nghiệm, lối ra giải mã nhánh 1, nhánh 2. Trong các biểu thức trên, ký hiệu I và O biểu thị cho đầu vào (Input) và đầu ra (Output). Xét nhánh thu 1, ở vòng lặp đầu tiên, với mỗi tín hiệu thu r , giá trị số đo bit (metric) cho m bit mã là: ( ) log ( | ) log ( | ). k i b k k i s S b p r b p r s        (7) Trong (7), kbS là tập con của tập tín hiệu S , gồm các symbol với bit thứ k có giá trị là b , {0,1}b  . ( | )kp r s là hàm mật độ xác suất của tín hiệu thu r và tín hiệu truyền ks . Chú ý rằng,  được hiểu là phép thay thế tương đương và thực tế, phép tính tổng logarit trên có thể tính gần đúng bằng tra bảng hoặc phép xấp xỉ sau: log max log( ).j j jj a a (8) Theo [5], xác suất hậu nghiệm cho các bít mã có thể được tính bằng: ( | ) ( | ) ( | ). ( ). k k i b i b k i i i s S s S p v b r p s r p r s p s       (9) So sánh giữa (7) và (9) ta cần quan tâm đến giá trị xác suất tiên nghiệm ( )ip s . Trong vòng lặp đầu tiên, với giả thiết xác suất truyền các tín hiệu is là như nhau (giả thiết giá trị ban đầu của thông tin tiên nghiệm), các số đo bít tính được sau bộ giải điều chế là các giá trị xác suất, nó đó vai trò là thông tin ngoại lai, qua bộ giải xáo trộn trở thành thông tin tiên nghiệm cho bộ giải mã SISO. Trên cơ sở đó, bộ giải mã SISO sẽ tính được xác suất hậu nghiệm và qua vòng hồi tiếp trở thành thông tin tiên nghiệm cho bộ giải điều chế để tính lại số đo bit. Ở vòng lặp thứ 2, thông tin ngoại lai ( ; )kP c O được xáo trộn và đưa quay lại trở thành thông tin tiên nghiệm ( ; )kP v I của bộ giải điều chế. Với bộ xáo trộn lý tưởng, m bit trong một symbol có thể coi như độc lập với nhau, thông tin tiên nghiệm cho các tín hiệu is có thể được tính như sau: 1 1 ( ) ( ( ),..., ( )) ( ( ); ), m i i m i k k i k P s P v s v s P v v s I     (10) trong đó, ( ) {0,1},1k iv s k m   là giá trị của bit thứ k trong tín hiệu is . Từ (9) và (10) có thể tính được thông tin ngoài cho vòng lặp tiếp như sau: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 73 ( | ) ( ) ( | ) ( ; ) = ( | ) ( ( ); ). ( ; ) ( ; ) k i b k i b i i s Sk k i j j i k k i ks S P r s P s P v b r P v b o P r s P v v s I P v b I P v b I                   (11) Xét trong (11) ta thấy, giá trị ( | )iP r s chính là xác suất khi thu được tín hiệu r khi tín hiệu phát đi là is , hay chính là thông tin của kênh. Tính tương tự như nhánh 1, tại nhánh thu 2, ở vòng lặp đầu tiên, số đo bít nhánh 2 được tính bằng: ( ) log ( | ) log ( | ). k i b cp k cp k cp i s S b p r b p r s        (12) Khi đó, xác suất hậu nghiệm cho các bít mã có thể được tính bằng: ( | ) ( | ) ( | ). ( ). k k i b i b k cp i cp cp i i s S s S p v b r p s r p r s p s       (13) Số đo bít cho vòng lặp tiếp theo được tính như sau: ( | ) ( ) ( | ) ( ; ) = ( | ) ( ( ); ). ( ; ) ( ; ) k i b k i b cp i i s Sk cp k cp i j j i k k i ks S P r s P s P v b r P v b o P r s P v v s I P v b I P v b I                   (14) Các giá trị thông tin hậu nghiệm được tính trong (9) và (13) sau mỗi vòng lặp sẽ được cộng lại ở bộ Cộng, sau một số vòng lặp sẽ được đưa đến bộ quyết định để đưa thông tin ra. Các sơ đồ BICM-ID trong thực tế chủ yếu sử dụng sơ đồ giải mã quyết định mềm và giải điều chế mềm theo thuật toán Log-MAP. Để đơn giản hơn, hàm Jacobian được sử dụng để biến thuật toán Log-MAP thành thuật toán Max-Log-MAP như trong (8), khi đó, các tính toán sẽ được giảm bớt. Các kết quả mô phỏng sẽ được chỉ ra ở phần tiếp theo khi áp dụng các kết quả phân tích trên. 4. CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 4.1. Các tham số mô phỏng cho hệ thống Hệ thống ở trên được chúng tôi mô phỏng bằng phần mềm MATLAB, sử dụng các tham số của hệ thống LTE với bộ mã hóa kênh có tỷ lệ mã hóa (coderate) 1/3, độ dài ràng buộc (constraint length) k=7, mã chập [133, 171, 165], bộ xáo trộn khối (ký hiệu trong mô phỏng là: LTE-Inter) được cho trong [12] và bộ xáo trộn mới, đề xuất trong [9]. Khối điều chế sử dụng bộ ánh xạ tối ưu Optimum, (còn được gọi là: M16a) trong [13]. Tham số của OFDM được lấy theo [3], trong đó, tham số của hệ thống OFDM để mô phỏng sử dụng là loại tiền tố vòng mở rộng (Extended cyclic prefix), khoảng cách tần số giữa các sóng mang con là: 15 kHzf  với dải thông là 3MHz. Kênh truyền để đánh giá sử dụng kênh Gao-xơ và kênh pha-đinh đa đường theo mô hình kênh TDL (Tapped Delay Line) trong [14], tham số kênh thay đổi sau mỗi 2 và 4 symbol OFDM, với số vòng giải lặp trong hệ thống thu là 6 vòng. Tham số cụ thể của kênh kênh pha-đinh đa đường (bảng 1) được dựa trên mô hình bộ hành B của ITU (ITU Pedestrian B) [15, 16]. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. A. Thắng, Đ. T. Cường, P. X. Nghĩa, “Tái sử dụng CP cho hệ thống BICM-ID OFDM.” 74 Bảng 1. Các điều kiện truyền dẫn pha-đinh đa đường mô hình bộ hành B của ITU. Relative delay (ns) 0 200 800 1200 2300 3700 Relative mean power (dB) 0  0,9  4,9  8,0  7,8  23,9 Thay thế CP: Xét khối thu OFDM trong hình 2, tín hiệu thu y vẫn đầy đủ cả symbol OFDM (bao gồm phần CP và phần thân như hình 2a). Tín hiệu này được đưa vào 2 khối thu OFDM: OFDM và OFDMCP. Khối OFDM (nhánh 1) thực hiện loại bỏ phần CP như thông thường và lấy phần thân để thực hiện FFT (hình 2b). Khối OFDMCP (nhánh 2) sẽ tách lấy đoạn CP và thay thế vào đoạn tương ứng nằm trong phần thân (đây chính là đoạn đã sao chép trước khi phát đi), phần bị thay trong phần thân sẽ được bỏ đi, sau đó mới thực hiện FFT. Độ dài của đoạn CP thay thế có thể lấy là cả đoạn CP (4/4CP), 3/4CP, 2/4CP hay 1/4CP như minh hoạ ở hình 2c, d, e, f, hoặc có thể lấy đến 1/8CP, 1/16CP, tuy nhiên, việc chia quá nhỏ CP sẽ khó khăn trong việc thực hiện trong thực tế. Độ dài đoạn CP tái sử dụng sẽ được lấy dần tương ứng về cuối của đoạn CP, bỏ đi đoạn đầu vì đoạn đầu thường bị chồng lấn với symbol OFDM liền kề trước (thường bị nhiễu ISI). Hình 2. Minh hoạ các đoạn CP được dùng để tái sử dụng. 4.2. Kết quả mô phỏng hệ thống Theo kết quả trên hình 3, các đường BER nét đứt là kết quả mô phỏng các hệ thống dùng xáo trộn của LTE, đường BER nét liền dùng xáo trộn mới đề xuất trong [9]. Cụ thể, đường hình ngôi sao (nét đứt và nét liền) là BER của hệ thống BICM-ID OFDM thông thường (sau này gọi tắt là hệ thống thông thường), còn các đường BER nét còn lại là của hệ thống BICM-ID OFDM tái sử dụng CP (gọi tắt là hệ thống tái sử dụng CP) với độ dài đoạn CP sử dụng lại là 1/16CP, 1/8CP, 1/4CP, 2/4CP, 3/4CP và cả đoạn CP (4/4CP) tương ứng như chú thích trên hình, chú thích này cũng tương ứng với các đường nét liền. Theo kết quả này, hệ thống tái sử dụng CP cho kết quả tốt hơn và có độ lợi xấp xỉ 1dB ở các giá trị BER=10-3, BER=10-4, BER=10-5 (vì chúng đều chạy song song với nhau) với các độ dài đoạn lặp CP khác nhau. Với bộ xáo trộn khối đề xuất trong [9], hệ thống tái sử dụng CP có độ lợi hơn 0,25dB cũng ở các giá trị BER trên. Sự chênh lệch về độ lợi này là do hệ thống dùng bộ xáo trộn mới đạt giá trị BER nhỏ ở giá trị 0/bE N thấp nên các thông tin ngoại lai trao đổi trong quá trình giải lặp đạt cực đại sớm hơn so với hệ thống sử dụng xáo trộn LTE. Cũng theo kết quả này, việc sử dụng độ dài CP khác nhau đều cho các kết quả giống nhau, chỉ có độ dài CP sử dụng lại là 1/16CP của xáo trộn LTE có chất lượng kém hơn một chút. Điều đó có thể tận dụng trong trường hợp kênh pha-đinh, đó là có thể sử dụng độ dài ngắn hơn (1/4CP, 1/8CP cuối) là đủ đem lại hiệu quả nếu trong trường hợp các đoạn CP phía trước bị ISI. Nguyên nhân là với chiều dài (về thời gian) của cả đoạn CP là bằng 1/4 của Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 75 đoạn thân, với băng tần 3MHz thì cả đoạn CP dài 64 mẫu IFFT (miền thời gian), tương đương là 64 sóng mang phụ (miền tần số). Do đó, với độ dài 1/8CP tương đương 8 mẫu IFFT, độ dài đoạn bít tương ứng cho giải mã khoảng 22 bít (8  4 (bit/symbol QAM)  180/256 (tỷ lệ sóng mang sử dụng)). Trong khi đó, với bộ mã chập đang xét có độ dài ràng buộc là 7, điều đó có nghĩa độ dài đoạn bít của 1/8CP đã dài hơn chiều dài sự kiện lỗi tương ứng với khoảng cách tự do của mã chập đang xét. Khi giá trị 0/bE N đủ lớn, trường hợp có sự kiện lỗi xảy ra (khi giá trị 0/bE N lớn dần thì lỗi xuất hiện ngắn đi) với độ dài này đã đủ để bộ giải mã sửa lỗi. Và vì vậy, nếu sử dụng CP dài hơn thì hiệu quả cũng không cao hơn. Chính vì vậy mà các đường BER của hệ thống tái sử dụng CP với các độ dài khác nhau là như nhau. Với độ dài 1/16CP, tương đương đoạn bít giải mã khoảng 11 bít, chỉ lớn hơn một chút độ dài ràng buộc của mã. Mặt khác hệ thống dùng giải lặp mã lặp thông qua các bộ xáo trộn/giải xáo trộn nên khi có sự kiện lỗi xảy ra thì các bít liền kề trước và sau bít lỗi sẽ bị ảnh hưởng, vì vậy độ dài 11 bít là chưa đủ để sửa hoàn toàn các lỗi. Do đó, hiệu quả của hệ thống tái sử dụng CP dùng độ dài 1/16CP sẽ kém một chút so với việc dùng độ dài khác, điều đó phù hợp với kết quả mô phỏng. Một khía cạnh khác, đây là kênh Gao-xơ nên chưa có hiện tượng chồng lấn giữa các symbol (ISI) nên các đường BER của hệ thống tái sử dụng CP với các độ dài khác nhau là giống nhau. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 Eb/No B E R LTE BICM-ID, AWGN, BW = 3MHz, 2 Sym, 16QAM M16a,LTEInter, w/o CP M16a,LTEInter, 1/16CP M16a,LTEInter, 1/8CP M16a,LTEInter, 1/4CP M16a,LTEInter, 2/4CP M16a,LTEInter, 3/4CP M16a,LTEInter, 4/4CP M16a, NewInter, w/oCP M16a, NewInter, 1/16CP M16a, NewInter, 1/8CP M16a, NewInter, 1/4CP M16a, NewInter, 2/4CP M16a, NewInter, 3/4CP M16a, NewInter, 4/4CP Hình 3. So sánh hệ thống tái sử dụng CP so với hệ thống thông thường trên kênh AWGN, băng thông 3MHz, xáo trộn LTE và xáo trộn trong [9]. Để khẳng định hiệu quả của sơ đồ BICM-ID OFDM tái sử dụng CP đề xuất, các kết quả mô phỏng hệ thống này trên kênh pha-đinh đa đường theo mô hình TDL như phần tham số đã đề cập. Cũng theo tham số trên, với việc sử dụng 2 symbol OFDM trong một lần thay đổi kênh nhằm tạo ra ảnh hưởng về độ trễ do đa đường của symbol 1 đến symbol 2, có nghĩa là thành phần CP có hiện tượng chồng lấn của phần đuôi symbol 1 lên phần đầu (phần CP) của symbol 2. Các mô phỏng trên kênh pha-đinh được chỉ ra ở hình 4 và hình 5. Hình 4 mô phỏng hệ thống thông thường và hệ thống tái sử dụng CP sử dụng bộ xáo trộn của LTE. Đường trơn nét liền là đường BER của hệ thống thông thường, các đường khác là các đường tái sử dụng CP với các độ dài khác nhau được chú thích cụ thể trên hình. Kết quả mô phỏng trên hình cho thấy với việc thay thế độ dài CP khác nhau thì hiệu quả của hệ thống tái sử dụng CP cũng khác nhau. Với việc sử dụng độ dài cả đoạn CP (4/4 CP), khi đó, thông tin nhiễu trên đoạn CP rất lớn, và vì vậy, hệ thống không cho hiệu quả cao. Với việc sử dụng độ dài đoạn CP khác nhau thì hiệu quả của hệ thống tái sử dụng CP cũng khác nhau vì khi này, dưới tác động của pha-đinh, hiệu quả hệ thống phụ thuộc cấu Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. A. Thắng, Đ. T. Cường, P. X. Nghĩa, “Tái sử dụng CP cho hệ thống BICM-ID OFDM.” 76 trúc bộ xáo trộn và bộ giải mã. Theo kết quả này, hiệu quả của hệ thống tái sử dụng CP với độ dài đoạn lặp là 1/4 CP là tốt nhất và có độ lợi khoảng 1dB tại giá trị BER=10-3 so với hệ thống thông thường, tương tự như kết quả trên kênh Gao-xơ. Điều đó có nghĩa là với trường hợp cụ thể này (mô hình và tham số kênh như phần trên đã đề cập) thì sử dụng độ dài 1/4CP đạt hiệu quả tối ưu cho hệ thống. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 Eb/No (dB) B E R LTE BICM-ID, Fade (Pedes B),ZF, BW = 3MHz, 16QAM M16a,LTEInter, w/o CP M16a,LTEInter, 1/16CP M16a,LTEInter, 1/8CP M16a,LTEInter, 1/4CP M16a,LTEInter, 2/4CP M16a,LTEInter, 3/4CP M16a,LTEInter, 4/4CP 17 17.5 18 18.5 10 -3 Hình 4. So sánh hệ thống tái sử dụng CP với hệ thống thông thường trên kênh pha-đinh đa đường, băng thông 3MHz, xáo trộn LTE. Hình 5 mô phỏng hệ thống thông thường và hệ thống tái sử dụng CP sử dụng bộ xáo trộn mới trong [9]. Đường trơn nét liền là đường BER của hệ thống thông thường, còn các khác là các đường BER của hệ thống tái sử dụng CP với các độ dài khác nhau như chú thích cụ thể trong hình. Các kết quả cho thấy độ dài CP khác nhau cũng cho hiệu quả khác nhau, hai giá trị độ dài 1/4CP và 1/8CP cho hiệu quả tốt nhất và đạt tăng ích khoảng 0,5dB, lớn hơn trên kênh Gao-xơ vì hệ thống đã có độ lợi trong phân tập pha-đinh. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 Eb/No (dB) B E R LTE BICM-ID, Fade (Pedes B),ZF, BW = 3MHz, 16QAM M16a,NewInter w/oCP M16a,NewInter, 1/16CP M16a,NewInter, 1/8CP M16a,NewInter, 1/4CP M16a,NewInter, 2/4CP M16a,NewInter, 3/4CP M16a,NewInter, 4/4CP 17 17.5 18 18.5 19 10 -3 Hình 5. So sánh hệ thống tái sử dụng CP với hệ thống BICM-ID OFDM thông thường trên kênh pha-đinh đa đường, băng thông 3MHz, xáo trộn mới trong [9]. Khi mô phỏng với 4 symbol OFDM, bộ xáo trộn khối mới phát huy hiệu quả tốt hơn rất nhiều, trên hình 6 thể hiện các kết quả so sánh hai hệ thống tái sử dụng CP với độ dài đoạn CP sử dụng lại là 1/4CP và hệ thống thông thường. Hệ thống tái sử dụng CP dùng xáo trộn khối LTE đạt tăng ích xấp xỉ 1dB tại giá trị BER=10-3, cũng cùng giá trị BER đó, hệ thống Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 77 dùng bộ xáo trộn khối mới đạt tăng ích khoảng 0,5dB. Hệ thống dùng xáo trộn khối mới hiệu quả hơn so với hệ thống dùng xáo trộn khối của LTE khoảng hơn 1dB trên cả hệ thống tái sử dụng 1/4CP và hệ thống thông thường tại cũng tại giá trị BER đã phân tích. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 Eb/No [dB] B E R LTE BICM-ID, Fade (Pedes B),ZF, BW = 3MHz,4Sym,16QAM M16a,LTEInter, w/o CP M16a,LTEInter, 1/4 CP M16a,NewInter,w/o CP M16a,NewInter, 1/4 CP 16 17 18 19 20 10 -3 X: 20 Y: 0.0003105 Hình 6. So sánh hai kỹ thuật xáo trộn (LTE và xáo trộn trong [9]) với độ dài CP tái sử dụng là 1/4CP, truyền dẫn 4symbol, băng thông 3MHz trên kênh pha-đinh đa đường. 5. KẾT LUẬN Trong bài báo này chúng tôi đề xuất một hệ thống BICM-ID OFDM tái sử dụng CP khi sử dụng lại tiền tố vòng của hệ thống OFDM tại phía thu và thông tin hậu nghiệm trong giải mã lặp của sơ đồ BICM-ID. Kết quả mô phỏng cho thấy với độ dài đoạn CP sử dụng lại và bộ xáo trộn được áp dụng cho hệ thống khác nhau sẽ cho hiệu quả khác nhau. Hệ thống BICM-ID OFDM tái sử dụng CP có thể cho độ lợi 0/bE N đạt từ 0,25dB đến 1dB so với hệ thống BICM-ID OFDM thông thường trên cả kênh Gao-xơ và kênh pha-đinh đa đường. Mặc dù việc tái sử dụng CP làm cho hệ thống BICM-ID OFDM có độ phức tạp và độ trễ xử lý lớn hơn nhưng có thể bù đắp bằng cải thiện chất lượng hệ thống. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. IEEE - Standard, "Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, IEEE Std 802.11™-2012," ed. New York, USA: IEEE Computer Society, 2012. [2]. IEEE - Standard, "IEEE Standard for Air Interface for Broadband Wireless Access Systems, IEEE Std 802.16™-2012," ed. New York, USA: LAN/MAN Standards Committee, 2012. [3]. 3GPP. (2016). LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation (3GPP TS 36.211 version 13.3.0 Release 13) Available: www.3gpp.org/dynareport/36211.htm [4]. X. Li and J. A. Ritcey, "Bit-interleaved coded modulation with iterative decoding," IEEE Communications Letters, vol. 1, pp. 169-171, 1997. [5]. X. Li, A. Chindapol, and J. A. Ritcey, "Bit-interleaved coded modulation with iterative decoding and 8 PSK signaling," IEEE Transactions on communications, vol. 50, pp. 1250-1257, 2002. [6]. Đỗ Công Hùng, Đinh Thế Cường, Nguyễn Quốc Bình, "Nâng cao chất lượng hệ thống OFDM bằng BICM-ID," Tạp chí Bưu chính viễn thông, vol. Chuyên san Các công trình nghiên cứu – triển khai viễn thông và CNTT, 02.2007 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T. A. Thắng, Đ. T. Cường, P. X. Nghĩa, “Tái sử dụng CP cho hệ thống BICM-ID OFDM.” 78 [7]. N. F. Kiyani and J. H. Weber, "OFDM with BICM-ID and rotated MPSK constellations and signal space diversity," in Communications and Vehicular Technology in the Benelux, 2007 14th IEEE Symposium on, 2007, pp. 1-4. [8]. N. H. Tran, H. H. Nguyen, and T. Le-Ngoc, "Bit-interleaved coded OFDM with signal space diversity: Subcarrier grouping and rotation matrix design," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 55, pp. 1137-1149, 2007. [9]. Đinh Thế Cường, Trần Anh Thắng, Phạm Xuân Nghĩa, "Kỹ thuật xáo trộn mới cho hệ thống BICM-ID OFDM," Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, vol. Số đặc san, ACMEC, pp. 99-106, 7-2017. [10]. R. v. Nee and R. Prasad, "OFDM for wireless multimedia communications": Artech House, Inc., 2000. [11]. Phạm Xuân Nghĩa, Trần Anh Thắng, "Đánh giá hiệu quả sử dụng sơ đồ BICM-ID cho truyền dẫn OFDM và chuẩn 802.11," Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, vol. Số Đặc san ACMEC, pp. 112-119, 07-2016. [12]. 3GPP. (2011). LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Multiplexing and channel coding (3GPP TS 36.212 V9.4.0 (2011-09)). Available: www.3gpp.org/dynareport/36212.htm [13]. F. Schreckenbach, N. Gortz, J. Hagenauer, and G. Bauch, "Optimization of symbol mappings for bit-interleaved coded modulation with iterative decoding," IEEE Communications Letters, vol. 7, pp. 593-595, 2003. [14]. J. K. Yong Soo Cho, Won Young Yang, Chung G. Kang, "MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB": John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd, 2010. [15]. RECOMMENDATION ITU-R M.1225, "Guidelines for evaluation of radio transmission technologies for IMT-2000," International Telecommunication Union, 1997. [16]. S. Stefania, T. Issam, and B. Matthew, "LTE-the UMTS long term evolution: from theory to practice," A John Wiley and Sons, Ltd, vol. 6, pp. 136-144, 2009. ABSTRACT REUSE CYCLIC PREFIX FOR BICM-ID OFDM SYSTEM One of the most important reasons to do OFDM is the efficient way it deals with multipath delay spread by Cyclic Prefix (CP). However, the CP is removed in receiver even though it carries information. This paper studies and proposes a technique that reuses the CP and the iterative decoding algorithm in BICM-ID OFDM system to improve efficiency of system, and is called reuse CP OFDM BICM-ID system. Based on the Long Term Evolution (LTE) specifications, simulation results for the proposed reuse CP BICM-ID OFDM system provide a gain of about 0.25dB to 1dB compared with the BICM-ID OFDM system in both Gaussian and multipath fading channels. Keywords: Telecommunication, BICM-ID OFDM, LTE specification, Reuse CP BICM-ID OFDM system. Nhận bài ngày 02 tháng 10 năm 2017 Hoàn thiện ngày 24 tháng 10 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 12 năm 2017 Địa chỉ: 1 Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên; 2 Cục Công nghệ thông tin – Bộ Tổng tham mưu – Bộ quốc phòng; 3 Học viện Kỹ thuật quân sự. * Email: trananhthang@tnut.edu.vn.