TURBOKOODAUS. Miten turbokoodaus eroaa konvoluutiokoodauksesta? A Tietoliikennetekniikka II Osa 26 Kari Kärkkäinen Syksy 2015

Transkriptio

1 1 TURBOKOODAUS Miten turbokoodaus eroaa konvoluutiokoodauksesta?

2 TURBOKOODAUKSEN IDEA 2 V keksityt koodit eivät löytyneet systemaattisen koodausteorian soveltamisen seurauksena pyrkimyksenä päästä mahdollisimman lähelle Shannonin rajaa, vaan ne löytyivät heuristisesti! Löytö yllätti täysin koodausteoreetikot. Verrattaessa niiden suorituskykyä perinteisten konvoluutiokoodien suorituskykyyn, voidaan todeta, että suurilla muistinpituuksien arvoilla vaaditaan johonkin virhesuhdearvoon pääsemiseksi pienempi SNR-arvo, eli turbokoodauksen suorituskyky on parempi. Turbokooderi koostuu lomittelijasta ja parista rekursiivisia systemaattisia konvoluutiokoodereita (RSCC).

3 TURBOKOODAUKSEN IDEA 3 Erona konvoluutiokoodereihin on, että RSCC-kooderin kiikkupiirien lähdöstä on takaisinkytkentä kooderin tuloon (vrt. turbomoottori). Tavallinen konvoluutiokooderi on kuin äärellisen impulssivasteen FIRsuodatin ja RSCC on kuin äärettömän impulssivasteen IIR-suodatin.

4 TURBOKOODAUKSEN IDEA 4 RSCC on systemaattinen, koska kooderin lähdössä on puhdas muista informaatiobiteistä riippumaton databitti x i sellaisenaan. Kooderit ovat identtisiä. Yksi tulobitti x i tuottaa kolmikon (x i p 1i p 2i ). Koska kooderi on löydetty heuristisesti, siltä puuttuu vankka algebrallinen rakenne (vrt. matemaattisesti selkeät lohkokoodit). Informaatiobitti kiertää takaisinkytketyn IIR-periaatteen mukaisesti monta kertaa kooderin läpi (tulee monta kertaa koodatuksi), mitä ominaisuutta voidaan käyttää dekoodauksessa hyväksi. Turbokoodeilla päästään hyvin lähelle Shannonin rajaa.

5 TURBOKOODERI 5

6 TURBODEKOODERI 6

7 TURBODEKOODAUS (S) 7 Dekoodausalgoritmi on tehokas ja se perustuu MAP (maximum a prosteriori) ilmaisuperiaatteeseen. Dekoodauksen hyvyys algoritmin iteratiivisuudessa, sillä sama bittijono kulkee takaisinkytkennästä johtuen useamman kerran saman dekooderin läpi pienentäen joka iteraatiokierroksella virhesuhdetta (turboperiaate bittien korjaamiseksi). Suorituskyvyn ja dekoodausajan (ts. lomittelijan koon & viipeen) välillä esiintyy kaupankäyntimahdollisuus, mikä mahdollistaa sovellusspesifiset algoritmit. Dekooderit voidaan räätälöidä erilaisiin Quality-of-Service (QoS) - tilanteisiin käyttäen hyväksi em. kaupankäyntimahdollisuutta. Esimerkiksi datansiirto vaatii pientä P E -arvoa, mutta dekoodausviive ei ole ongelma (hich latency time). Puheensiirrossa voidaan sietää huonompaa siirron laatua (suurempi P E ), mutta dekoodausviive ei saa reaaliaikaisuusvaatimuksen vuoksi olla pitkä (low latency time).

8 TURBODEKOODAUS (S) 8

9 TURBODEKOODAUS (S) 9 Nähdään, että suuri lomittelusyvyys parantaa suorituskykyä. Esimerkiksi ½-koodilla ja lomittimen lohkonpituudella N = 2 16 ja 18 iteraatiolla/bitti saavutetaan P E = 10 5 E b /N 0 -arvolla 0,6 db.

10 10 MIMO- JA SPACE-TIME- KOODAUSTEKNIIKKA (S) Miten useita antenneja voidaan hyödyntää?

11 MULTI-INPUT & MULTI-OUTPUT MIMO (S) 11 Reduntanttiset signaalit eri siirtoteitä (paikkadiversiteetti) ja sen hyväksikäyttö koodausta soveltaen. Toteutetaan useilla antenneilla yhdistettynä sopivasti trellis- tai lohkokoodaukseen. Käytetään myös nimitystä space-time koodaus (STC). Saadaan sekä diversiteettietu että koodausvahvistus. Määritelty mm. uusimmassa IEEE n WLAN standardissa:

12 MULTI-INPUT & MULTI-OUTPUT MIMO (S) 12 Tiedonsiirron kapasiteettia voidaan kasvattaa ilman lisätaajuuskaistaa. Monesta antennista seuraava parantunut paikannustarkkuus (voidaan toteuttaa paikkasidonnaisia palveluja). Synkronointi ja kanavanestimointi muodostuu vaativammaksi.

13 13 SDMA TEKNIIKKA (S) Miten sunnattavia antenneja voidaan hyödyntää?

14 SPACE-DIVISION MULTIPLE-ACCESS SDMA (S) 14 Vaiheistettuihin antenniryhmiin (phase-array antennas) perustuvia älykkäitä antenneja (smart antennas) käyttäen voidaan tilaa jakaa solun käyttäjille, jotka toimivat samalla keskitaajuudella: osoitetaan kapealla antennikeilalla haluttua vastaanottajaa ja seurataan sitä algoritmilla.

15 SPACE-DIVISION MULTIPLE-ACCESS SDMA (S) 15

16 SPACE-DIVISION MULTIPLE-ACCESS SDMA (S)