1

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
Lí do lựa chọn đề tài
Trong các hệ thống thông tin vô tuyến số, khi dữ liệu thông tin được
truyền qua kênh truyền dẫn có tạp nhiễu sẽ xảy ra lỗi. Để chống lại những
ảnh hưởng tiêu cực từ tạp nhiễu, nhiều phương pháp được áp dụng có hiệu
quả, một trong những phương pháp áp dụng cho hiệu quả cao là sử dụng
mã kênh.
Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) được R. G. Gallager đề xuất
vào năm 1962 [9], hiện nay vẫn được đánh giá là mã kênh có khả năng sửa
lỗi cao nhất. Mã này đã được sử dụng hoặc khuyến nghị sử dụng cho nhiều
ứng dụng khác nhau trong các hệ thống truyền tin thế hệ mới [18-23].
Hệ thống thông tin trải phổ FH/NC-BFSK được sử dụng phổ biến
trong lĩnh vực quân sự, bởi nó có nhiều tính năng ưu việt. Thứ nhất, tín
hiệu của hệ thống có phổ rất rộng, khiến cho đối phương khó có thể sử
dụng nhiễu băng rộng để chèn phá. Thứ hai, tín hiệu này phù hợp với các
kênh không ổn định, và khó khăn trong việc ước lượng pha sóng mang.
Thứ ba, cấu trúc máy thu đơn giản, chịu được tác động của nhiễu mạnh.
Nhiễu tạp âm một phần băng (PBNJ) [33] là một trong những nhiễu cố
ý cơ bản mà đối phương thường sử dụng trong các hệ thống thông tin trải
phổ, loại nhiễu này gây ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng truyền tin của
hệ thống FH/NC-BFSK.
Chính vì vậy, việc ứng dụng mã LDPC trong hệ thống FH/NC-BFSK
để chống lại PBNJ có thể sẽ tạo nên một hệ thống truyền dẫn vô tuyến đáp
ứng các yêu cầu đặt ra trong lĩnh vực quân sự là một đề tài có tính thời sự
chứa cả ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Cũng như các bộ mã kênh khác sử dụng thuật toán giải mã lặp [78],
mã LDPC cũng phải chịu sự xuất hiện của sàn lỗi khi tỉ lệ công suất tín




Bộ giải mã lặp LDPC bằng thuật toán quyết định mềm; Kỹ thuật ước
lượng kênh theo phương pháp của Reed cho giải mã lặp; Hệ thống thông
tin trải phổ FH/NC-BFSK trường hợp bị gây nhiễu một phần băng.
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu thuật toán giải mã lặp LDPC và Kỹ thuật ước lượng kênh
cho giải mã lặp LDPC trong hệ thống thông tin FH/NC-BFSK trường hợp
bị gây nhiễu một phần băng.
Bố cục luận án
Luận án được trình bày 138 trang, ngoài phần Mở đầu và Kết luận,
luận án chia thành 3 chương. Chương 1: Tổng quan; Chương 2: Nghiên
cứu cải tiến thuật toán giải mã lặp LDPC dựa vào syndrome; Chương
3: Nghiên cứu ứng dụng mã LDPC trong hệ thống thông tin trải phổ
FH/NC-BFSK.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Hệ thống thông tin trải phổ nhảy tần sử dụng mã kênh
1.1.1 Mô hình hệ thống
Nguồn
tin

u

Mã hóa
kênh

y

Ghép
xen bit



rt (t )


4

1.2 Mã LDPC
1.2.1 Định nghĩa mã LDPC
1.2.2 Phương pháp biểu diễn mã LDPC trên đồ thị Tanner
1.2.3 Mã hóa LDPC dùng ma trận kiểm tra
1.2.4 Giải mã lặp LDPC bằng thuật toán quyết định mềm
1.2.4.1 Khái quát chung
1.2.4.2 Thuật toán giải mã BPA trên miền lô-ga-rít
Thuật toán BPA trên miền lô-ga-rít có đầu vào là (2.1) để thực hiện
giải mã với ma trận H [74].
L ( y i r ) = log

P r ( yi = 0 r )
P r ( yi = 1 r )

,

(2.1)

trong đó, r là tập các ký hiệu thu nhận được qua kênh truyền.
Tại mỗi lần lặp g , thuật toán có hai công đoạn: 1) cập nhật tin cho tất
cả các nút kiểm tra và gửi thông tin từ các nút kiểm tra tới các nút bit có
liên quan; 2) cập nhật tin cho tất cả các nút bit và gửi thông tin từ các nút
bit tới các nút kiểm tra có liên quan.
( g)


M j,i( g) = å j ¢Î A , j ¢¹ j E j( ¢g,i) + L in (yˆ i ),
i

(1.11)


5

trong đó, Ai là tập hợp các nút kiểm tra trên cột thứ i của ma trận kiểm tra
H có giá trị bằng “1”; Lin (yˆ i ) là LLR của bit mã thứ i ở đầu vào bộ giải

mã.
Kết thúc công đoạn 2, thuật toán sẽ tính toán LLR của các bit mã:
L( g)(yˆ i ) = å j Î Ai E j(,gi ) + Lin (yˆ i ),

(1.12)

sau đó quyết định cứng để tìm từ mã thăm dò:
yˆ

( g)
i

ìï 1,
ï
= ïí
ïï 0,
ïî


1.2.5.1 Ảnh hưởng của độ dài từ mã
Độ dài từ mã càng lớn thì chất lượng giải mã đạt được càng cao.
1.2.5.2 Ảnh hưởng của số lần lặp cực đại
Số lượng vòng lặp cực đại càng lớn thì chất lượng giải mã càng cao.
Tuy nhiên, quan hệ này không phải tuyến tính vô hạn.


6

1.2.5.3 Ảnh hưởng của tập bẫy
Một trong những nhược điểm lớn nhất của giải mã lặp LDPC là sự
xuất hiện của sàn lỗi khi SNR tăng cao [78]. Sự xuất hiện này đã làm giảm
chất lượng của bộ giải mã, ảnh hưởng lớn đến hiệu quả truyền tin của hệ
thống truyền dẫn số. Nguyên nhân gây nên sàn lỗi của giải mã lặp LDPC
là do các tập bẫy, chúng được hình thành trong quá trình giải mã từ những
tổ hợp của các vòng lặp ngắn trong ma trận kiểm tra H .
1.2.5.4 Ảnh hưởng của sai lệch ước lượng kênh
Nếu không ước lượng chính xác các tham số của kênh truyền thì chất
lượng của bộ giải mã bị suy giảm rất đáng kể [32].
1.3 Đặt vấn đề nghiên cứu
1.3.1 Nghiên cứu cải tiến thuật toán giải mã lặp LDPC
▪ Vấn đề nghiên cứu thứ nhất của luận án là cần lựa chọn phương án
quyết định từ mã tại lần lặp g phù hợp để tìm từ mã lỗi có số bit lỗi ít
nhất nhằm cải thiện chất lượng bộ giải mã lặp LDPC.
▪ Vấn đề nghiên cứu thứ hai của luận án là cần xây dựng ma trận kiểm
tra mới trong quá trình giải mã có đặc tính thích nghi với thông tin kênh
truyền và có thể hạn chế những ảnh hưởng tiêu cực từ những vòng lặp
ngắn trong ma trận kiểm tra H nhằm cải thiện chất lượng bộ giải mã lặp
LDPC trong vùng sàn lỗi.
1.3.2 Nghiên cứu ứng dụng mã LDPC trong hệ thống thông tin trải

syndrome cứng
2.1.1 Đặt vấn đề
Khi thuật toán giải mã BPA không thành công ở lần lặp cực đại gmax
thì từ mã lỗi được quyết định tại gmax là yˆ ( g

max )

không hiệu quả vì từ mã lỗi yˆ ( g

max )

. Sự quyết định này có thể sẽ

có thể sẽ có số bit lỗi nhiều hơn của từ


8

mã lỗi tại lần lặp g là yˆ ( g) ( g £ gmax ). Vì vậy, cần khảo sát và lựa chọn
phương án quyết định từ mã lỗi tại lần lặp g phù hợp để giảm số bit lỗi.
2.1.2 Nghiên cứu đặc tính lỗi của giải mã lặp LDPC
Bộ giải mã lặp LDPC sử dụng thuật toán giải mã BPA có 3 loại mẫu
lỗi [25]. Loại 1: Mẫu lỗi tựa ngẫu nhiên. Đặc tính lỗi của mẫu lỗi này là
số bit lỗi của một từ mã lỗi thay đổi giống biến ngẫu nhiên với phương sai
nhỏ. Loại 2: Mẫu lỗi dao động. Đặc tính lỗi của mẫu lỗi loại này là số bit
lỗi của một từ mã lỗi thay đổi gần như có chu kỳ giữa giá trị cực đại và giá
trị cực tiểu với phương sai tương đối lớn. Loại 3: Mẫu lỗi không đổi. Đặc
tính lỗi của mẫu lỗi loại này là số bit lỗi của một từ mã lỗi giảm nhanh về
giá trị không đổi sau một số lần lặp đầu tiên.
Nhận xét: Số bit lỗi của một từ mã lỗi không chắc chắn giảm về giá

Hình 2.7: Phẩm chất BER của thuật toán
BPA, BPA-MS và BPA-ID

Mackay code (252,504)
Hình 2.11:
Độ phức tạp giải mã của
thuật toán BPA-MS và BPA

Mackay code (252,504)

Độ phức tạp tính toán của thuật toán BPA-MS được tính như sau:
C BP A-MS =O (n ) ×S × gaver

(2.7)

Hệ số phức tạp tính toán của thuật toán BPA-MS được tính như sau:
CCFBP A-MS =

C BP A-MS gaver
=
gmax
C BP A

(2.8)

Độ phức tạp của thuật toán BPA-MS (Hình 2.11) được cải thiện rất
đáng kể so với thuật toán BPA nhờ kỹ thuật dừng sớm.
2.2 Cải tiến thuật toán giải mã lặp LDPC dựa vào giá trị của



» Õ sign ( L(yˆ j )).min
L(yˆ j )
ö
æL (yˆ j )
ö
jÎ Vi
j
÷
÷
j
Î
V
ç
ç
i
+ 1ø÷
e
- 1÷
ç
Õ ççèe
÷- Õ è
÷
ç
ø

Õ ççèçe

jÎ Vi

(2.9)

C BP A

≈

gaver × baver ×(1- R ) + 1
gmax

(2.25)

Khi chất lượng kênh được cải thiện, CCF BPA-EMS sẽ suy giảm và tiệm
cận với CCFBPA (Hình 2.19).
2.2.4 Thuật toán giải mã song song với các ma trận kiểm tra tương
đương cải tiến
2.2.4.1 Đặt vấn đề
Thuật toán giải mã BPA-EMS có độ phức tạp còn lớn, đặc biệt ở SNR
thấp (Hình 2.19); đồng thời tỉ lệ giải mã thành công trong công đoạn giải
mã lại chưa cao do hạn chế của phương án xây dựng ma trân kiểm tra
tương đương.
2.2.4.2 Xây dựng ma trận kiểm tra tương đương cải tiến dựa trên việc sắp
xếp lại giá trị syndrome mềm
Ma trận kiểm tra tương đương cải tiến H e được xây dựng dựa vào
các hoán vị pb tìm được nhờ việc sắp xếp lại giá trị SS của các nút kiểm
tra sau mỗi lần giải mã lại b .
2.2.4.3 Nội dung thuật toán giải mã song song với các ma trận kiểm tra
tương đương cải tiến
Công đoạn 1, giải mã với ma trận kiểm tra H có đầu vào là (2.1), nếu
thành công sẽ đưa ra từ mã hợp lệ, nếu không thành công sẽ chuyển sang
giải mã lại ở công đoạn 2; Công đoạn 2, vừa xây dựng các ma trận kiểm
tra H e , vừa đồng thời giải mã với các ma trận kiểm tra H e có đầu vào là
(2.1), nếu thành công sẽ đưa ra từ mã hợp lệ, nếu không thành công sẽ lựa

CCFBP A -P R( Ω) =

C BP A -P R( Ω)
≈
C BP A

gaver × 

baver

 Ω

×(1- R ) + 1

gmax



(2.27)


14

2.2.5 Thuật toán giải mã nối tiếp với các ma trận kiểm tra tổng quát
2.2.5.1 Đặt vấn đề
Thuật toán giải mã BPA-EMS thực hiện việc xử lí đơn nút kiểm tra
trong công đoạn giải mã lại, việc xử lí đơn nút kiểm tra có thể sẽ làm giảm
hiệu quả sửa lỗi bit trong vùng sàn lỗi. Vì vậy, hướng nghiên cứu xử lí đa
nút kiểm tra có thể sẽ cho chất lượng giải mã cao hơn.
2.2.5.2 Định nghĩa ma trận kiểm tra tổng quát

15

H G . Lần lượt giải mã với các ma trận kiểm tra H G có đầu vào là (2.1),

nếu thành công sẽ đưa ra từ mã hợp lệ, nếu không thành công sẽ lựa chọn
đưa ra từ mã lỗi có số bit lỗi ít hơn.
2.2.5.5 Đánh giá hiệu quả thuật toán giải mã cải tiến
Phẩm chất BER (Hình 2.32) của thuật toán G-LDPC-OSS cao hơn
nhiều so với thuật toán BPA khi chất lượng kênh được cải thiện, và tỉ lệ
thuận với số lần giải mã lại b .
Hệ số phức tạp tính toán của thuật toán G-LDPC-OSS được tính theo:
C G-LDP C-OSS gaver × S +S ×baver ×( 1- R ) 
(2.32)
CCFG-LDP C-OSS =
=
S × gmax
C BP A

Khi SNR lớn thì 1-R có giá trị rất nhỏ, và baver giảm (Hình 2.37). Vì
vậy, CCFG-LDPC-OSS sẽ suy giảm và tiệm cận với CCFBPA (1.17).
Hình 2.32: Phẩm chất BER và FER của
thuật toán BPA và G-LDPC-OSS

HìnhMackay
2.37:code
So(252,504)
sánh số lần giải mã lại trung
bình của mã LDPC kích thước (252,504)

2.2.6 Thuật toán giải mã song song với các ma trận kiểm tra tổng quát


2.3 Kết luận chương 2

C G -LDP C-P gaver × S + S ×(1- R ) 
=
S × gmax
C BP A

(2.36)


17

Trong Chương 2 đã giới thiệu các thuật toán giải mã lặp LDPC cải
tiến dựa vào trọng số của syndrome cứng và giá trị của syndrome mềm.
Phần nội dung thuật toán giải mã cải tiến dựa vào trọng số của
syndrome cứng đã nghiên cứu đặc tính lỗi của giải mã lặp LDPC bằng việc
khảo sát số lượng bit lỗi của một từ mã lỗi và trọng số syndrome cứng
tương ứng qua các lần lặp. Từ đó, đề xuất phương án quyết định từ mã lỗi
có hiệu quả tại lần lặp có trọng số của syndrome cứng nhỏ nhất, thay vì
quyết định tại lần lặp cực đại như phương pháp truyền thống. Cũng trong
nội dung này, giới thiệu kỹ thuật dừng sớm nhằm cải thiện độ trễ giải mã
khi bộ giải mã có sự hiện diện của Mẫu lỗi dao động và Mẫu lỗi không đổi
nhờ việc kiểm soát trọng số của syndrome cứng qua các lần lặp. Phần nội
dung các thuật toán giải mã cải tiến dựa vào giá trị của syndrome mềm đã
đề xuất thêm công đoạn giải mã lại (nối tiếp và song song) với các ma trận
kiểm tra tương đương và ma trận kiểm tra tổng quát khi thuật toán giải mã
BPA không thành công. Các ma trận kiểm tra này được xây dựng dựa vào
thông tin của kênh truyền (thông qua khái niệm syndrome mềm) và cấu
trúc ma trận kiểm tra nhằm hạn chế những ảnh hưởng của các TS, cải thiện

÷

L ( si ri ) = log
= log I 0  2 x 1,i ÷ - log I 0  2 x 0,i ÷÷ ,
÷
÷
  s 0
  s0
P s 0,i ri 
÷
÷


 
 

(3.3)

3.1.2.2 Bộ giải điều chế NC-BFSK tính toán xấp xỉ LLR
µ = µRi − µRa = pN 0 / 4 ( F ( E s / N 0 ) - 1) .

(3.16)

s 2 = s12 + s22 ≈ 2N 0 + E s − 1 pN 0  ( F ( E s / N 0 ) ) + 1 ÷.
4



(3.17)


(3.18)
Trường hợp bị PBNJ thì N 0 trong (3.16) và (3.17) được thay thế bằng
NT = N 0 + N J / r .

3.1.3 Bộ giải mã lặp LDPC
Bộ giải mã lặp LDPC sử dụng thuật toán BPA giải mã bằng ma trận
kiểm tra H có đầu vào là (2.1), đây là LLR của tín hiệu thu tương ứng
với từng bit mã. Vì vậy, để nâng cao chất lượng bộ giải mã cần phải
ước lượng chính xác các tham số đặc trưng thống kê của kênh truyền.
Trường hợp bị PBNJ thì cần ước lượng chính xác E s / N T để tính chính


19

xác Lc .
3.2 Ảnh hưởng của sai lệch ước lượng kênh đến chất lượng bộ giải
mã lặp LDPC
Kết quả khảo sát phẩm chất BER cho thấy, nếu ước lượng không chính
xác E s / N J thì chất lượng giải mã bị suy giảm rất đáng kể, đặc biệt ở
vùng E s / N J lớn.
3.3 Một số kỹ thuật ước lượng kênh cho giải mã lặp
3.3.1 Phương sai của biến ngẫu nhiên
3.3.2 Kỹ thuật ước lượng kênh theo phương pháp truyền thống
Phương sai của kênh [41] sẽ được ước lượng như sau:
σˆ = E { X
2
j

2


(3.23)

3.4 Cải tiến kỹ thuật ước lượng kênh theo phương pháp của Reed
dựa trên các bit tin cậy của từ mã lỗi
3.4.1 Đánh giá hiệu quả kỹ thuật ước lượng kênh theo phương pháp
của Reed
Phương sai ước lượng của kênh theo phương pháp của Reed dựa vào
kết quả giải mã của từ mã trước đó để ước lượng cho giải mã từ mã tiếp
theo. Đồng thời Reed đã sử dụng tất cả các bit trong từ mã được quyết
định cứng ở đầu ra của bộ giải mã, chính điều này có thể sẽ ảnh hưởng đến
độ chính xác ước lượng phương sai của kênh truyền.
3.4.2 Các bit tin cậy của từ mã trong giải mã lặp LDPC


20

3.4.2.1 Định nghĩa các bit tin cậy
Các bit tin cậy (RBs) là các bit có giá trị LLR lớn trong từ mã lỗi sau
mỗi lần lặp, các bit còn lại là các bit không tin cậy (UBs).
3.4.2.2 Phương án xác định các bit tin cậy
Các bit RBs sẽ được xác định tại lần lặp mà syndrome cứng có trọng
số nhỏ nhất bằng thuật toán giải mã BPA-MS.
3.4.2.3 Số lượng các bit tin cậy có hiệu quả trong từ mã lỗi
Đó là M bit yˆk có giá trị LLR thỏa mãn điều kiện:
L ( yˆk = 1-M )

∑ i = 0 L ( yˆi,g )
≥
N
N -1

Lc được chọn đủ lớn để BER ở mức nhỏ trong vùng sai lệch ước lượng

kênh. Bằng phương pháp mô phỏng tìm ra được giá trị Lc phù hợp bằng


21

100. Quá trình giải mã, nếu từ mã thăm dò thỏa mãn điều kiện (2.2) thì
dừng lặp và đưa ra từ mã hợp lệ y ( g) , nếu không thì tìm trọng số nhỏ nhất
của syndrome cứng tại lần lặp g ( 1 ≤ g < gmax ) (Hình 2.5-2.7). Nếu tìm thấy
sẽ sắp xếp LLR của các bit trong từ mã lỗi tại lần lặp g theo trình tự tăng
dần để lựa chọn các bit RBs theo (3.25), sau đó thực hiện ước lượng
phương sai của kênh theo (3.26) với các bit RBs đã tìm được để tính giá trị
Lc trong (3.18) cho giải mã ở những lần lặp tiếp theo. Tiếp tục giải mã với
Lc đã tính được cho đến khi số lần lặp đạt giá trị cực đại gmax , nếu không

thành công đưa ra từ mã lỗi có số lỗi ít hơn.
Hình 3.18: Phương sai của các kỹ thuật
ước lượng kênh,

Mackay code (252,504)
Hình 3.21: Phẩm chất BER
của thuật toán
BPA-MS,

Mackay code (252,504)

Các kết quả mô phỏng trên Hình 3.18 cho thấy, kỹ thuật ước lượng
kênh Reed cải tiến (Modified Reed) cho kết quả chính xác hơn nhiều so
với kỹ thuật ước lượng theo phương pháp truyền thống (Conventional),

FH/NC-BFSK sử dụng mã LDPC và đề xuất phương án cải tiến kỹ thuật
ước lượng kênh theo phương pháp của Reed nhằm nâng cao chất lượng
các thuật toán giải mã lặp LDPC đã cải tiến trong hệ thống này. Phần nội
dung giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin trải phổ FH/NC-BFSK sử
dụng mã LDPC, đã đề cập đến mô hình hệ thống, và đi sâu nghiên cứu bộ
giải điều chế NC-BFSK với phương pháp tính toán xấp xỉ LLR. Phần nội
dung cải tiến kỹ thuật ước lượng kênh theo phương pháp của Reed, đã


23

khảo sát sự ảnh hưởng của sai lệch ước lượng kênh đến chất lượng bộ giải
mã lặp LDPC; nghiên cứu kỹ thuật ước lượng kênh theo phương pháp của
Reed cho giải mã lặp, từ đó đề xuất phương án kết hợp kỹ thuật ước lượng
kênh này với quá trình giải mã lặp LDPC, và phương án cải tiến bằng việc
dựa vào các bit tin cậy của từ mã lỗi.
Kỹ thuật ước lượng kênh Reed cải tiến cho độ chính xác cao hơn
nhiều so với kỹ thuật ước lượng kênh theo phương pháp truyền thống,
và cao hơn kỹ thuật ước lượng kênh theo phương pháp của Reed. Các
thuật toán cải tiến BPA-EMS, G-LDPC-OSS sử dụng kỹ thuật ước
lượng kênh Reed cải tiến trong hệ thống thông tin trải phổ FH/NCBFSK có PBNJ với các tỉ lệ gây nhiễu khác nhau đều cho phẩm chất
BER tốt hơn so với thuật toán BPA.
KẾT LUẬN
A. Các kết quả của luận án
1. Đề xuất thuật toán giải mã lặp LDPC cải tiến dựa vào trọng số của
syndrome cứng. Thuật toán giải mã BPA cải tiến sử dụng phương án
quyết định từ mã tại lần lặp có trọng số syndrome cứng nhỏ nhất đã cho
phẩm chất lỗi bit tốt hơn thuật toán giải mã BPA, và có độ phức tạp được
cải thiện rất đáng kể. Kết quả nghiên cứu của thuật toán này được công bố
tại công trình số 1.

hiệu quả của các thuật toán giải mã cải tiến trên các kênh khác nhau, đặc
biệt là kênh pha-đinh.