Confiabilidade de Canal e Decodificaç˜ao Eficiente em Sistemas DS/CDMA com Codificaç˜ao

133 Pages·2009·1.18 MB·Portuguese

Universidade Estadual de Londrina
Centro de Tecnologia e Urbanismo
Departamento de Engenharia El´etrica
Confiabilidade de Canal e Decodifica¸c˜ao
Eficiente em Sistemas DS/CDMA com
Codifica¸c˜ao Turbo e Convolucional
Wagner Okano
Londrina, 20 de maio de 2009
Universidade Estadual de Londrina
Centro de Tecnologia e Urbanismo
Departamento de Engenharia El´etrica
Confiabilidade de Canal e Decodificac¸˜ao
Eficiente em Sistemas DS/CDMA com
Codificac¸˜ao Turbo e Convolucional
Discente: Wagner Okano
Orientador: Prof. Dr. Taufik Abr˜ao
Trabalho de investigac¸˜ao orientado pelo Prof. Dr. Taufik Abr˜ao in-
titulado Confiabilidade de Canal e Decodifica¸c˜ao Eficiente em Siste-
mas DS/CDMA com Codifica¸c˜ao Turbo e Convolucional e apresen-
tado `a Universidade Estadual de Londrina, como parte dos requisi-
tos necess´arios para a obtenc¸˜ao do T´ıtulo de Mestre em Engenharia
El´etrica.
´
Area: Modelagem e Simulac¸˜ao de Sistemas de Telecomunicac¸o˜es.
Londrina, 20 de maio de 2009
Ficha Catalogr´afica
Okano, Wagner
Confiabilidade de Canal e Decodificac¸˜ao Eficiente em Sistemas
DS/CDMA com Codificac¸˜ao Turbo e Convolucional. Londrina, 2009.
110 p.
Dissertac¸˜ao (Mestrado) — Universidade Estadual de Londrina.
Departamento de Engenharia El´etrica.
1. Telefonia Celular. 2. CDMA. 3. Confiabilidade do Canal.
4. C´odigos Convolucionais. 5. C´odigos Turbo. 6. Algoritmos
Heur´ısticos. 7. Canais de Multipercurso.
I. Universidade Estadual de Londrina. Departamento de Engenharia
El´etrica. II. Confiabilidade de Canal e Decodificac¸˜ao Eficiente em
Sistemas DS/CDMA com Codificac¸˜ao Turbo e Convolucional.
Wagner Okano
Confiabilidade de Canal e Decodifica¸c˜ao
Eficiente em Sistemas DS/CDMA com
Codifica¸c˜ao Turbo e Convolucional
Dissertac¸˜ao apresentada `a Universidade Estadual de Londrina,
como parte dos requisitos necess´arios para a obtenc¸˜ao do T´ıtulo
de Mestre em Engenharia El´etrica.
´
Area: Modelagem e Simulac¸˜ao de Sistemas de Telecomunicac¸o˜es.
Comiss˜ao Examinadora
Prof. Dr. Taufik Abr˜ao
Depto. de Engenharia El´etrica
Orientador
Prof. Dr. Paul J. E. Jeszensky
Depto. de Eng. de Telecomunicac¸o˜es e Controle
Escola Polit´ecnica da Universidade de Sa˜o Paulo
Prof. Dr. F´abio Renan Durand
Centro de Ciˆencias Exatas e Tecnolo´gicas
Universidade Norte do Parana´
Prof. Dr. Jos´e Carlos Pizolato Junior
Depto. de Engenharia El´etrica
Universidade Estadual de Londrina
Londrina, 20 de maio de 2009
“Never discard information prematurely
that may be useful in making a decision until
after all decisions related to that information
have been completed.”
(Andrew Viterbi)
Agradecimentos
Meus sinceros agradecimentos ao meu orientador, Prof. Dr. Taufik Abr˜ao,
por sua paciˆencia, capacidade e dedicac¸˜ao no trabalho de orientac¸˜ao, pela mo-
tivac¸˜ao, seu constante apoio e incentivo para a realizac¸˜ao desta dissertac¸˜ao.
Ao amigo e Prof. Fernando Ciriaco pela paciˆencia, por seu conhecimento
compartilhado, horas dedicadas `as discuss˜oes e est´ımulos constantes que muito
contribu´ıram para a realizac¸˜ao deste trabalho.
Gostaria ainda de agradecer aos professores do Departamento de Engenharia
El´etrica e de Computac¸˜ao e aos colegas do Laborat´orio de Telecomunicac¸˜oes da
Universidade Estadual de Londrina (UEL).
Ao meus familiares, pelo constante incentivo e apoio.
Aos meus amigos, Ailton, Marilza, Isa Gabriella, Leonardo e Guilherme pelo
incentivo, apoio e compreens˜ao.
Agradecimentos `a Sercomtel Celular S.A, Londrina, PR, pelo apoio.
Aos colegas de trabalho da Sercomtel das ´areas de: Engenharia e Planeja-
mento, Gerˆencia de Redes e Implantac¸˜ao e Manutenc¸˜ao.
A todos aqueles que direta ou indiretamente, colaboraram para a execuc¸˜ao
deste trabalho.
Resumo
Este trabalho analisa dois aspectos associados aos sistemas DS/CDMA (di-
rect sequence - code division multiple access) com codificac¸˜ao turbo (Turbo-
DS/CDMA): a determinac¸˜ao do fator de confiabilidade de canal, sob diversas
condic¸˜oes de operac¸˜ao do sistema, e a obtenc¸˜ao de estruturas de detecc¸˜ao com
reduzida complexidade de implementac¸˜ao e desempenho otimizado. S˜ao anali-
sadas estrat´egias de codificac¸˜ao turbo e convolucional aplicadas ao problema da
detecc¸˜ao uniusu´ario (SuD – single-user detection) e multiusu´ario (MuD – mul-
tiuser detection) em sistemas de mu´ltiplo acesso DS/CDMA considerando canais
de multipercurso com desvanecimento lento e seletivo em frequ¨ˆencia. Prop˜oe-se
umanovaabordagemparaadeterminac¸˜aodaconfiabilidadedocanalDS/CDMA,
obtida a partir dos resultados de desempenho de simulac¸˜ao Monte Carlo (MCS).
Para a regi˜ao de alta relac¸˜ao sinal-ru´ıdo (SNR – signal-noise ratio), comparac¸˜oes
com resultados da literatura indicaram superioridade de desempenho utilizando
a metodologia proposta, enquanto se manteve a similaridade de desempenho em
relac¸˜ao aos resultados relatados na literatura para as regi˜oes de baixa e m´edia
SNRs. Sugere-se ainda a utilizac¸˜ao de t´ecnicas heur´ısticas na obtenc¸˜ao de estru-
turas de detecc¸˜ao com codificac¸˜ao convolucional de reduzida complexidade em
relac¸˜ao ao detector convolucional DS/CDMA convencional. Al´em disso, prop˜oe-
se uma ampla an´alise do compromisso complexidade/requisito de mem´oria ver-
sus desempenho em receptores Turbo-DS/CDMA, considerando decodificadores
turbo (no contexto do padr˜ao CDMA2000) e de Viterbi (no contexto do padr˜ao
IS-95) convencionais, al´em dos heur´ısticos, na tentativa de corroborar a eficiˆencia
da abordagem proposta.
Abstract
This work analyzes two aspects associated to the multiple access systems
direct sequence-code division multiple access system with turbo coding (Turbo-
DS/CDMA): the determination of the reliability factor of the channel, under
various conditions of operation of the system, and the obtain then of structures
of detection with reduced complexity of implementation and optimized perfor-
mance. Strategies are analyzed about turbo and convolutional codes applied
to the single-user detection (SuD) problem and multiuser detection (MuD) in
DS/CDMA considering multipath slow Rayleigh channels. It proposes a new ap-
proach for the determination of the channel reliability of DS/CDMA, obtained
via Monte Carlo simulation (MCS) performance results. For the region of high
signal to noise ratio (SNR), the comparison with results showed literature supe-
rior performance using the proposed methodology, while it remained the similar
performance in relation those described in the literature for the regions of low
and medium SNRs. Furthermore, we suggest the use of heuristic techniques in
order to obtain low complexity convolutional decoding regarding to conventional
convolutional DS/CDMA decoding. Moreover, a comprehensive analysis for per-
formance versus memory requirement of Turbo-DS/CDMA receivers was carried
out, considering turbo (CDMA2000 standard) and conventional Viterbi (IS-95
standard) decoders, and heuristic as well in convolutional decoding context, at-
tempting to corroborate the efficiency of the proposed approaches.
Sum´ario
Lista de Figuras vii
Lista de Tabelas x
Lista de Siglas e Abreviaturas xi
Nota¸c˜oes xiv
Lista de S´ımbolos xv
1 Introduc¸˜ao 1
1.1 Espalhamento Espectral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 A Tecnologia CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Codificac¸˜ao e Decodificac¸˜ao do Canal . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Heur´ısticas Aplic´aveis aos Sistemas de Comunicac¸˜ao . . . . . . . . 7
1.5 Motivac¸˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6 Proposta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.7 Descric¸˜ao do Conteu´do . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.8 Resumo das Publicac¸˜oes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Modelo de Sistema DS/CDMA 14
2.1 Decodificadores Turbo e Viterbi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1 Algoritmo BCJR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
(i)
2.1.2 C´alculo da LLR a posteriori (L(b y )) . . . . . . . . . . 18
k | k
′
2.1.3 C´alculo da Probabilidade Conjunta (P(s ,s,y )) . . . . . . 19
k
2.1.4 Medida da Confiabilidade do Canal . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.5 Decodificac¸˜ao Turbo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3 Medida da Confiabilidade do Canal: Nova Abordagem 26
3.1 Efeito do Carregamento do Sistema, Q . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 Coeficientes das Equac¸˜oes Sigm´oides . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Nova Abordagem para a Equac¸˜ao L . . . . . . . . . . . . . . . . 30
c
3.4 M´etrica Convencional – C´alculo da Relac¸˜ao Sinal Ru´ıdo mais In-
terferˆencia (SINR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5 Comparativo do Desempenho para os Trˆes M´etodos de C´alculo
para L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
c
4 Heur´ısticas na Decodifica¸c˜ao Iterativa de Reduzida Complexi-
dade 34
4.1 Introduc¸˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.2 Modelo do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
´
4.3 O Problema da Decodificac¸˜ao ML: Soluc¸˜oes Sub-Otimas . . . . . 39
4.4 Algoritmo Heur´ıstico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.4.1 Algoritmo de Busca Local 1-opt LS . . . . . . . . . . . . . 41
5 Resultados Num´ericos 42
5.1 Codificac¸˜ao Convolucional versus Turbo . . . . . . . . . . . . . . 42
5.2 Desempenho BER da codificac¸˜ao turbo utilizando a nova aborda-
gem para L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
c
5.3 Decodificac¸˜ao de Viterbi Associado ao uso da T´ecnica de Busca
Local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6 Complexidade Computacional 65
6.1 Complexidade do Decodificador Turbo e de Viterbi . . . . . . . . 65
6.1.1 Complexidade Computacional ( ) . . . . . . . . . . . . . 66
O
6.1.2 Requisito de Mem´oria (Mem) . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.2 Complexidade do Decodificador Convolucional 1-opt LS . . . . . . 69