Geri Dön

Delikli turbo kod tasarımı

Punctured turbo code design

  1. Tez No: 126955
  2. Yazar: KENAN AKSOY
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ÜMİT AYGÖLÜ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2002
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 136

Özet

ÖZET Artan iletişim gereksinimi, modern toplumların gelişiminde önemli bir gerçektir. İletişim sistemi tasarımında, kaynaktan alıcıya bilgi iletiminin kayıpsız olması amaçlanmaktadır. Alışılmış bir iletişim sistemi Şekil. 1 'deki blok diagramda verilmiştir. İletilecek olan bilgi, sayısal veri veya ses, kanaldan iletilebilmeye uygun işaretlere dönüştürülmelidir. İlk olarak, gereksiz kısım ortadan kaldırılarak bilgi, iletim için uygun duruma getirilmelidir. Bu işlem, Şekil. 1 'de gösterilen kaynak kodlayıcısı tarafından yapılmaktadır. Gizliliği sağlamak için, gönderilen bilginin kriptolanması gerekir. Gönderilen veri, kanal çıkışındaki alıcı tarafından yanlış değerlendirmeye yol açmayacak şekilde korunmalıdır. Bu koruma, ileri yönde hata düzelten kodlama (FEC) veya otomatik yineleme isteme (ARQ) yöntemleri kullanılarak sağlanabilir. Modülatör bloğu ise iletim kanalına uygun işaretler üretmektedir. Bu tezde, ileri yönde hata düzelten kodlar incelenmektedir. Kodlama teorisinden, kod sözcük uzunluğunun artırılması veya kodlayıcı belleğinin artırılması ile iletilen bilginin daha iyi korunabileceği ve daha yüksek kodlama kazancı sağlanabileceği bilinmektedir. Buna paralel olarak, en büyük benzerlikli kod çözme algoritmalarının (maximum likelihood decoding algorithm, MLDA) karmaşıklığı üstel olarak artmaktadır. Yüksek hata düzeltme sağlayan uzun blok veya katlamak kodların (convolutional code) çözülmesinde çok fazla bilgisayar işlem gücü gerekmektedir. Bundan dolayı, en büyük benzerlikli kod çözme algoritmalarının başarımına (performance) sahip, fakat daha az işlem gücü ile kod çözebilecek algoritmalar geliştirilmiştir. Sıralı kodlardaki (component code) her bileşen kod ayrı ayrı çözülerek daha az karmaşık kod çözücüler gerçekleştirilebilmiştir. Bu yöntemle, daha basit kod çözücüler kullanılarak, MLDA başarımına ulaşılabilmektedir. Tezin amacı, paralel Şekil 1: Haberleşme sistemi blok diagramı. xıözyinelemeli (iterative) kod çözme için kullanılabilecek farklı kodlama oranlarına sahip turbo kod tasarımına yönelik teknikler vermektir. Turbo kodlar, serpiştirici (interleaver) ve basit bileşen kodların birleştirilmesi ile oluşturulan ileri yönde hata düzeltmeyi sağlayan sıralı kodlardır (concatenated code). Turbo kod çözücü sistematik veri bitlerinin yanında gönderilen parite bitlerini kullanarak iletim kanalında oluşan hataları düzeltmektedir. Turbo kodlayıcıda kullanılan basit katlamalı kodlan çözmek için turbo kod çözücüde basit katlamalı kod çözücüler kullanılır. Turbo kodlarda kod çözme işlemi özyinelemeli olarak yapıldığından turbo kod çözücüde kullanılabilecek olan katlamalı kod çözücüler yumuşak-giriş (soft-in) yumuşak-çıkış (soft-out) özelliğine sahip olmalıdır. Turbo kodlarda sistematik ve geri beslemeli bileşen kodlar kullanılır. Bileşen kodların sistematik olması ortak olan sistematik bitlerin kolay iletilmesini sağlamaktadır. Turbo kodlarda kullanılan serpiştirici, kaynak bitlerinin sırasını değiştirir. Serpiştirici kodlayıcı ve kod çözücüde gecikmeye neden olmaktadır. Turbo kodlar, Shannon sınırına 0.7dB yakın başarım sağlayabilen kodlardır. Turbo kod tasarımlarına yönelik çalışmalar, pek çok tasarımcı tarafından yapılmıştır. Olası turbo kodların yapısal çeşitliliği, tasarım aşamasında seçilebilecek pek çok yöntemin varlığına neden olmaktadır. Turbo kod çözücünün karmaşıklığı sorununun aşılması ile turbo kodların pratikteki kullanımı artmıştır. Diğer araştırmacılar tarafından yapılan çalışmalar, bileşen kodların seçimi konusunda bilgiler vermektedir. Ancak, delikli turbo kodlar (punctured turbo code) için bileşen kodun nasıl seçilmesi gerektiği ayrıntıları ile ele alınmamıştır. Bu tezde, yüksek başarımdan ödün vermeden nasıl delildi turbo kod tasarlanabileceği anlatılmaktadır. Yapılan çalışmada, delikli turbo kod tasarımında dikkat edilmesi gereken unsurlar ayrıntılı olarak incelenmiştir. Delikli turbo kod tasarımı için yöntemler önerilmiş ve diğer tasarımcılar tarafından tasarlanan turbo kodlarla karşılaştırmalar yapılmıştır. Önerilen delikli turbo kod tasarım yöntemleri, öncelikli olarak en iyi delikli bileşen kodun belirlenmesine dayanır. Bileşen kod belirleme aşamasında üç farklı yol izlenmiştir; i) katlamalı koda uygulanan iki ve üç ağırlıklı kaynak sözcükleri tarafından üretilen kod sözcükleri kümesinde, en küçük ağırlık değerlerinin en büyük ve bu değere sahip en az sayıda kod sözcüğünün olmasını sağlayan bileşen kodun seçilmesi, ii)kısa serpiştirici durumunda avantajlı birleşim üst sınırına sahip turbo kodu oluşturan bileşen kodun seçilmesi ya da iii)uzun serpiştirici durumunda avantajlı birleşim üst sınırına sahip turbo kodu oluşturan bileşen kodun seçilmesi. Her üç durumda, istenen v bellek mertebesi değeri için, olası bileşen katlamalı kodların özellikleri bilgisayar ortamında belirlenmekte ve aralarında karşılaştırma yolu ile en iyi olan bileşen kod seçilmektedir. Bileşen kod seçildikten sonra, kritik kaynak sözcükleri seçilen bileşen kodun geri besleme polinomuna göre belirlenir. Kritik kaynak sözcükleri olarak katlamalı kodda sıfır durumundan başlayıp sıfır duruma taşıyan, belirli bir uzunluktan kısa, kafes yoluna (trellis path) ait, iki ve üç ağırlıklı kaynak sözcükleri xııalınır. İki ve üç ağırlıklı sözcüklerin en büyük uzunluğu büyük bir değerden başlayıp, serpiştiririnin tasarlanması mümkün olana kadar küçültülür. Kritik kaynak sözcükleri olarak bu aşamada, ağırlığı üç'ten büyük kafes yolu kaynak sözcükleri alınabilir. İyileştirilmiş serpiştiriri, kritik kod sözcükleri aynı anda her iki katlamalı bileşen koda uygulamayacak şekilde rasgele (random) serpiştirici düzenlenerek tasarlanır. Turbo kod serbest uzaklığı (free distance) en büyük ve en az sayıda kod sözcük bu ağırlığa sahip olacak şekilde delme (puncturing) matrisi seçilir. Delme matrisi seçimi aşamasında, daha önce bileşen kod arama sırasında bulunan bileşen kod delme matrisleri kullanılır. Katlamalı kod delme matrisleri, kendi aralarında ötelenerek turbo kod için en büyük serbest uzaklık ve bu ağırlıktaki kod sözcük sayısı en az olan parite delme matrisi belirlenir. Önerilen tasarım yöntemleri ile istenen 1/3 ile 1 arası kodlama oranlarında turbo kod tasarlamak mümkün olmaktadır. Turbo kodun kodlama oram, Shannon sının ve serpiştirici uzunluğu değerlerinden belirlenebilir. İzlenen bu adımlarla oluşturulan turbo kodların başarımı bilgisayar benzetimi yolu ile incelenmiş ve iyi sonuçlar alınmıştır. Yapılan turbo kod tasarımları sırasında, farklı katlamalı bileşen kodlar kullanılarak elde edilen turbo kodların, aynı katlamalı bileşen kodlan kullanılarak elde edilen turbo kodlara göre daha iyi olabildikleri belirlenmiştir. Yapılan benzetimlerle, üç ve dört bellek mertebesindeki bileşen katlamalı kodlarla oluşturulan turbo kodların beş bellek mertebesindeki katlamalı kodlarla oluşturulan turbo kodlara göre bit hata olasılıklarına ilişkin başarımlarının daha iyi olduğu belirlenmiştir. Düşük kodlama oranları gerektiğinde kullanılabilecek üç ve dört boyutlu turbo kod tasarımı yapılmıştır. Turbo kod serbest uzaklığının, yüksek işaret-gürültü oranlan için turbo kod başarımını sınırlandıran bir etken olduğu belirlenmiştir. Turbo kod serbest uzaklığının belirlenmesinde basitleştirilmiş bir yol kullanılmıştır. Bileşen katlamak kod geri besleme polinomu için elde edilen iki ve üç ağırlıklı kritik kaynak sözcükleri, katlamalı kod girişinde oluşacak şekilde, turbo kod girişine kaynak bitleri uygulanır. Turbo kod çıkışında görülen en küçük ağırlıklı kod sözcüğü turbo kod serbest uzaklığı olarak alınmıştır. İyileştirilmiş serpiştirici, iS-rasgele serpiştirici ile diğer serpiştiricilerin sağladıkları serbest uzaklıklar karşılaştırılmıştır. İyileştirilmiş serpiştirici veya 5-rasgele serpiştirici kullanan turbo kodların serbest uzaklık açısından daha avantajlı olduğu ve yüksek işaret-gürültü oranlarında daha iyi başarıma sahip oldukları belirlenmiştir. xııı

Özet (Çeviri)

PUNCTURED TURBO CODE DESIGN SUMMARY The turbo codes implement the forward error correction functionality (FEC) which is required when information is transmitted over the noisy communication channel. The turbo code performs like the long random block codes, and it is possible to implement the turbo decoder based on the simple constituent soft-in soft-out decoders. This reduces the complexity required by random block code maximum likelihood decoding algorithm (MLDA), and gives the possibility to implement coding performance closely reaching the theoretical limit. This thesis describes the turbo code encoding and decoding principles. The simplified MAP algorithm is described and applied during the constituent code decoding. The turbo code error performance is analyzed. The reasons for the worst performance are determined. This knowledge is used during the development of the punctured turbo codes. This thesis investigates the punctured turbo code design techniques applicable for a wide range of code rates. These techniques are used to avoid the complexity of the rate k/n constituent codes where k > 1 is used in order to implement required code rates without puncturing. The combined design techniques consist of: i)selection of the rate 1/2 component convolutional code suitable for required puncturing, ii)component code matched interleaver design, and iii) optimizing the puncturing matrix based on maximization of the turbo code free distance. Three different ways for selection of the rate 1/2 component convolutional codes are developed and tested. The first method is based on maximization of the punctured constituent encoder output weight for applied weight two and three input sequences. These sequences are most effective at the high E^/Nq performance of the turbo codes. The second method is based on the evaluation of the complete uniform weight distribution of the turbo code for very short interleaver sizes. The comparison between the codes is performed using the union bound. This method provides the ability to design turbo codes with mixed component codes. Using this technique the combined code with exceeding performance is designed. The results shows that most of the time there is a mixed turbo code with better performance than non-mixed turbo codes. The third method is based on the evaluation of the partial uniform weight distribution of the turbo code for long interleaver size. This method has some advantages over the first and second methods. The comparison of the results showed that xivthe third method should be preferred to the second one, but it requires more computational time. The fastest one is the first method and gives the highest reachable free distance values compared with other methods. The search results for component codes are given and the example turbo code designs are selected and then simulated using Monte Carlo method. Evaluating the uniform distribution of the punctured turbo code requires the evaluation of the punctured component convolutional code weight distribution. In order to simplify this task and lower the computation time the average weight distribution of the punctured convolutional code is derived from the knowledge about the conditional weight enumerating function of the original low rate code using the hypergeometric puncturing. In this thesis, the hypergeometric puncturing results are extended, so that the systematic bits are left unpunctured. Using this method the weight distribution evaluation does not require evaluation of the weight distribution for all possible puncturing devices. After selection of the component convolutional code the interleaver design is performed. The simulations showed that using the modulo-A; interleaver does not increment the performance of the turbo codes. This result is as expected if considering that the constituent systematic recursive convolutional codes have a long codewords. Therefore, the interleaver in not designed modulo-fc. The 5-random and optimized interleaver increase the turbo code free distance and supply the best performance at the high signal-to-noise ratios. The optimized interleaver is designed depending on the constituent convolutional code feedback polynomials. The weight two and three source sequences evaluated depending on the feedback polynomials are considered during the optimized interleaver design. The randomly chosen interleaver is reorganized until short length weight two and three source sequences do not appear at the interleaver output. Only the short length sequences are considered, because it is not possible to evaluate the interleaver considering all of these sequences. At the last step of the code design the puncturing matrix which gives the best effective free distance is selected. Therefore, this selection lowers the turbo code effective free distance asymptote. During this step, the turbo code effective free distance evaluation algorithm and the possible puncture device permutation generation algorithms are used. Multidimensional turbo code analysis is also performed. This showed that the multidimensional turbo codes are appropriate for lower code rate designs and do not give good performance results when puncturing is used in order to increment the coding ratio. The punctured turbo codes obtained by these methods provide good error performance. The component code search results for different turbo code rates and the error performance curves for designed turbo codes are given. xv

Benzer Tezler

  1. Tez No

    151277

    Kanı yayılımı ve turbo kafes kodlamalı modülasyon

    Belief propagation and turbo trellis coded modulation

    YENER ÜLKER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2004

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. ÜMİT AYGÖLÜ

  2. Tez No

    743243

    Isparta ve çevresinde halk hekimliği uygulamaları

    Folk medicine practices in Isparta and its surroundings

    ALİ ARSLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Halk Bilimi (Folklor)Ankara Hacı Bayram Veli Üniversitesi

    Türk Halk Bilimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DİLEK TÜRKYILMAZ

  3. Tez No

    477560

    Ortaçağ Çarşamba Türk tarihi ve mimari eserleri

    Medieval wednesday Turkish historical and architectural works

    ERTAN SAĞLAM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Sanat TarihiAğrı İbrahim Çeçen Üniversitesi

    Ortaçağ Tarihi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUSUF ÇETİN

  4. Tez No

    82990

    Design of symmetric laminated composite plates with a hole subsect to inprame loading

    Delikli tabakalı kompozit plakların düzlemsel yükleme halindeki tasarımı

    ÖMER TÜZER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1999

    Makine MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÜNAY ANLAŞ

  5. Tez No

    83779

    Elastic-plastic stress analysis in multiple layered composite plates with holes

    Delikli çok tabakalı kompozit plaklarda elastik-plastik gerilme analizi

    MEHMET KAYRICI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    1999

    Makine MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ONUR SAYMAN

Geri Dön