- 7 TỔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG TIN SỐ. - Các thách thức trong hệ thống thông tin băng rộng 4G LTE. - Một số công nghệ then chốt sử dụng trong hệ thống thông tin di động băng rộng 4G LTE. - 15 MÃ TURBO VÀ GIẢI MÃ LẬP. - 15 2.1 Cấu trúc bộ mã hóa turbo. - 18 2.3 Một số ứng dụng của mã hóa turbo. - 19 2.3.1 Mã turbo cho thông tin vũ trụ. - 20 2.3.3 Mã turbo cho thông tin di động thế hệ 3. - 21 2.4 Nguyên lý giải mã turbo. - 36 2.5 Giải mã lặp. - 37 2.5.1 Giải mã turbo tối ưu. - 37 2.5.2 Công cụ giải mã turbo lặp. - 38 2.5.2.1 Giải mã turbo lặp dựa trên thuật toán MAP. - 38 2.5.2.2 Giải mã SOVA lặp mã turbo. - 48 2.8 Giải mã SOVA lặp mã chập liên kết nối tiếp. - 49 Bộ mã hóa và giải mã BICM. - 57 MÔ PHỎNG MÃ HÓA TURBOCODE. - 65 LUẬN VĂN CAO HỌC 3 DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Mô hình tổng quát hệ thống thông tin số. - 7 Hình 1.2: Sơ đồ giải điều chế kết hợp. - 8 Hình 1.3: Sơ đồ phân loại mã kênh. - 9 Hình 1.4: Hiệu suất sử dụng phổ của các sơ đồ điều chế và mã hoá khác nhau được tính toán cho trường hợp BER là 10-5 trên kênh AWGN. - 11 Hình 2.1: Bộ mã hóa turbo. - 15 Hình 2.2: Bộ mã hóa turbo tốc độ 1/3. - 16 Hình 2.3: Bộ hoán vị. - 17 Hình 2.4: Bộ ánh xạ hoán vị. - 18 Hình 2.5: Sơ đồ khối bộ mã hóa turbo CCSDS. - 19 Hình 2.6: Bộ mã hóa turbo liên kết ngược dùng cho WCDMA2000. - 20 Hình 2.7: Bộ mã hóa turbo dùng cho thông tin 3GPP. - 21 Hình 2.8: Cấu trúc của bộ mã chập liên kết nối tiếp dùng cho thông tin 3GPP. - 22 Hình 2.9: Mô hình hệ thống. - 22 Hình 2.10: Bộ mã hóa RSC tốc độ 1/2. - 29 Hình 2.11: Biểu đồ trạng thái truyền đối với bộ mã RSC(2,1,2. - 30 Hình 2.12: Sơ đồ lưới cho bộ RSC(2,1,2. - 31 Hình 2.13: Bộ mã hóa turbo cơ bản. - 37 Hình 2.14: Một bộ giải turbo lặp trên cơ sở thuật toán MAP. - 39 Hình 2.15: Một bộ giải turbo lặp dựa trên thuật toán SOVA. - 43 Hình 2.16: Hiệu suất BER của mã turbo tốc độ mã 1/3, 16 trạng thái với thuật toán MAP, log-MAP, SOVA trong kênh AWGN, kích thước bộ hoán vị 4096 bit, số lần lặp 18 lần. - 47 Hình 2.17: Bộ giải mã lặp MAP cho mã chập liên kết nối tiếp. - 48 Hình 2.18: Bộ giải mã lặp SOVA mã liên kết nối tiếp. - 49 Hình 2.19: Sơ đồ mã hóa và giải mã BICM. - 51 Hình 2.20: Quá trình mã hóa kênh. - 52 Hình 2.21: Bộ hoán vị inline. - 52 Hình 2.22: Giảng đồ chòm sao điều chế 16-QAM theo mã Gray. - 53 Hình 2.23: Sự sai khác vị trí bit giữa các điểm trên chòm sao. - 54 Hình 2.24: Các cặp bit cách nhau ở bit thứ nhất (d0) và ở bit thứ hai (d1. - 55 Hình 2.25: Các cặp bit cách nhau ở bit thứ nhất (d0) và ở bit thứ tư (d3. - 55 Hình 2.26: Giảng đồ chòm sao điều chế 16-QAM theo mã antiGray. - 56 Hình 3.1: Không có inline, tốc độ mã R=1/2, điều chế 16QAM. - 58 Hình 3.2: Có inline, tốc độ mã R=1/2, điều chế 16QAM. - 58 Hình 3.3: Không có inline, tốc độ mã R=3/4, điều chế 16QAM. - 59 Hình 3.4: Có inline, tốc độ mã R=3/4, điều chế 16QAM. - Một trong những vấn đề cốt lõi trong quá trình chuẩn hóa 4G LTE của tổ chức 3GPP là việc nghiên cứu và áp dụng các phương thức mã hóa kênh, đan xen cùng với nguyên lý phối hợp tốc độ cho mục đích sửa lỗi phía trước. - Với mục đích mang lại một cái nhìn rõ hơn về các phương pháp mã hóa kênh đan xen và phối hợp tốc độ, ứng dụng của các phương pháp này vào hệ thống thông tin di động băng rộng 4G LTE, tôi đã chọn đề tài tốt nghiệp của mình là: “Nghiên cứu thiết kế các khối mã hóa và giải mã hóa turbo code theo chuẩn LTE 4G”. - LUẬN VĂN CAO HỌC 7 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG TIN SỐ VÀ CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ LTE 4G 1.1 Cấu trúc hệ thống tin số. - Mục tiêu chính của bộ mã kiểm soát lỗi trong hệ thống thông tin số là làm cho độ tin cậy của truyền tin đạt cực đại trong phạm vi bị ràng buộc về độ rộng băng tần, công suất tín hiệu và độ phức tạp của mạch điện trong hệ thống. - Để làm rõ vai trò của việc mã hoá kiểm soát lỗi, ta đưa ra mô hình hệ thống thông tin số tổng quát sau: Hình 1.1: Mô hình tổng quát hệ thống thông tin số Trong đó, nguồn tin là nơi tạo ra các bản tin chứa đựng những thông tin cần phát đi, các bản tin này có thể là các từ, các ký hiệu mã v.v. - Đầu ra của nguồn tin có nhiều thông tin dư nên bộ mã nguồn được thiết kế để chuỗi đầu ra của nguồn tin trở thành chuỗi các chữ số nhị phân có độ dư thừa cực tiểu. - Nếu bộ mã nguồn tạo ra rb bit/giây thì rb được gọi là tốc độ dữ liệu. - Nguồn tin Mã hóa nguồn Mã hóa mật Mã hóa kênh Điều chế Kênh truyền Tin tức thu được Giải mã hóa nguồn Giải mã hóa mật Giải mã Hóa kênh Giải điều Chế LUẬN VĂN CAO HỌC 8 Kênh truyền là nguyên nhân chủ yếu gây ra lỗi cho tín hiệu thu, nên bộ mã kênh thực hiện thêm vào các bit kiểm tra vào chuỗi thông tin nhằm giảm tối thiểu các lỗi sau giải mã. - Bộ mã kênh ánh xạ bản tin k chữ số đầu vào thành bản tin mới n chữ số đầu ra được gọi là từ mã. - Mỗi bộ mã được mô tả bằng tỷ số R = k/n < 1 được gọi là tỷ lệ mã, do đó tốc độ dữ liệu đầu ra bộ mã kênh là rc = rb/R [bit/giây]. - Như vậy, bộ mã kênh làm giảm tốc độ truyền dữ liệu và làm tăng độ rộng băng tần trên kênh truyền. - Để tín hiệu đầu ra bộ mã kênh phù hợp với kênh truyền, bộ điều chế thực hiện sắp xếp các chuỗi số đầu ra bộ mã kênh thành chuỗi dạng sóng tương tự (các ký hiệu) phù hợp với đặc tính kênh truyền. - Một bộ điều chế M mức thực hiện sắp xếp khối m chữ số nhị phân đầu ra bộ mã kênh thành một trong M các dạng sóng có thể, trong đó M = 2m. - Hình 1.2: Sơ đồ giải điều chế kết hợp Từ sơ đồ kênh kết hợp, nếu giá trị đầu ra kênh kết hợp chỉ phụ thuộc vào giá trị hiện hành đầu vào bộ giải mã mà không phụ thuộc vào một vài tín hiệu trước đó thì ta gọi là kênh không nhớ. - Với giải pháp quyết định cứng tại đầu ra bộ giải điều chế làm cho bộ giải mã kênh ít cải thiện được tổn hao thông tin. - Sơ đồ mã kênh thường được chia làm hai loại (hình 1.3), đó là mã dạng sóng (Waveform) và mã chuỗi có cấu trúc (Structured sequence). - Mã khối là bộ mã không nhớ (chuỗi bit thu được ở đầu ra của bộ mã chỉ phụ thuộc vào bản tin đầu vào hiện hành mà không phụ thuộc một vài bản tin trước đó). - Trái ngược với mã khối là mã chập, đây là bộ mã có nhớ (chuỗi bit nhận được ở đầu ra của bộ mã không chỉ phụ thuộc vào bản tin đầu vào hiện hành mà còn phụ thuộc vào một vài bản tin trước đó). - Mã liên kết là sự kết hợp của hai bộ mã vòng trong và vòng ngoài được phân biệt bởi bộ hoán vị bit.. - Sau đó, năm 1993 Berrou đưa ra bộ mã Turbo có cấu trúc gồm hai bộ mã chập kết nối song song thông qua bộ hoán vị và năm 1996 Benedetto đưa ra sơ đồ mã gồm hai mã chập liên kết nối tiếp. - Các bộ mã này đều sử dụng thuật toán giải mã lặp và có chất lượng tiến tới giới hạn Shannon. - Hình 1.3: Sơ đồ phân loại mã kênh Mã kênh Mã chuỗi có cấu trúc trúc Mã dạng sóng Mã khối Mã chập Mã liên kết Mã đối cực Mã trực giao Mã lưới Mã tín hiệu đa mức LUẬN VĂN CAO HỌC 10 1.2 Giới hạn Shannon Một hệ thống thông tin số có tốc độ rb và bị giới hạn về độ rộng băng tần B được đánh giá qua hiệu suất sử dụng phổ , ký hiệu là η. - NSBC 1log2(bit/giây) (1.6) Định lý về mã kênh của Shannon được phát biểu như sau: “Khi xem xét kênh AWGN, tồn tại mã kiểm soát lỗi sao cho có thể truyền thông tin qua kênh với tốc độ rb nhỏ hơn dung lượng kênh và tỷ số lỗi bit thấp tuỳ ý” Nghĩa là, trong trường hợp có sử dụng bộ mã kênh, khi tốc độ truyền dữ liệu nhỏ hơn dung lượng kênh (rb < C) thì chất lượng thông tin có thể đạt được xác suất lỗi thấp tuỳ ý, ngược lại khi tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn hoặc bằng dung lượng kênh (rb > C) thì chất lượng thông tin không thể đạt được xác suất lỗi thấp tuỳ ý. - Định lý về mã kênh của Shannon không chỉ ra cách thức để thiết kế bộ mã nhằm đạt được tốc độ dữ liệu tiệm cận tốc độ cực đại (rb = C) tại xác suất lỗi thấp tuỳ ý, điều này đã đặt ra thách thức lớn cho nghiên cứu phát triển về kỹ thuật mã kiểm soát lỗi. - Điều chế BPSK không mã hóa đạt được BER là 10-5 với tỷ số Eb/N0 là 9.5 dB và hiệu suất phổ η =1 bit/giây/Hz. - Hình 1.4: Hiệu suất sử dụng phổ của các sơ đồ điều chế và mã hoá khác nhau được tính toán cho trường hợp BER là 10-5 trên kênh AWGN LUẬN VĂN CAO HỌC 12 Mã chập trong được giải mã bởi thuật toán Viterbi quyết định mềm và mã Reed-Solomon được giải mã bởi bộ giải mã quyết định cứng Massey-Berlekamp có thể đạt được BER là 10-5 với tỷ số Eb/N0 = 2.6 dB, với hiệu suất phổ η =0.437 bit/giây/Hz. - Điều chế mã lưới Trellis (TCM) có một đặc tính mong muốn là độ lợi mã hóa mà không cần thêm độ rộng băng tần như hệ thống không mã với cũng hiệu suất phổ. - Giới hạn độ lợi mã hóa đối với TCM hai chiều thay đổi từ 3 đến 6 dB. - Để tiến tới giới hạn Shannon đã có nhiều bộ mã và phương pháp giải mã ra đời. - aGW thực hiện nhiều các chức năng khác nhau, cùng với khởi tạo tìm gọi (paging), mã hóa dữ liệu mặt phẳng người sử dụng và kiểm soát bearer SAE. - Ngoài việc áp dụng công nghệ OFDM, các công nghệ then chốt sử dụng trong thông tin di động băng rộng 4G LTE bao gồm. - Như đã trình bày ở trên, mã hóa kênh là một trong những khía cạnh rất quan trọng trong LTE. - Nghiên cứu về mã hóa kênh và các sơ đồ mã hóa kênh trong LTE rất có ý nghĩa nếu ta muốn tìm hiểu tiếp về lập biểu, thích ứng đường truyền và HARQ trong LTE. - Các chương tiếp theo sẽ phân tích cụ thể hơn về lý thuyết mã hóa kênh và các phương pháp mã hóa kênh phổ biến được áp dụng trong các chuẩn di động băng rộng, và sơ đồ mã hóa kênh áp dụng trong LTE. - LUẬN VĂN CAO HỌC 15 Chương 2: MÃ TURBO VÀ GIẢI MÃ LẬP 2.1 Cấu trúc bộ mã hóa turbo Một bộ mã hóa turbo được hình thành bởi hai bộ mã chập hệ thống đệ quy (RSC-Recursive Systematic Convolutional) kết nối với nhau song song và được tách nhau bởi bộ hoán vị theo tài liệu tham khảo (TLTK)[2]. - Sơ đồ khối của bộ mã hóa turbo điển hình tỷ lệ mã 1/3 được cho trên hình 2.1. - Hình 2.1: Bộ mã hóa turbo Ma trận sinh của mã RSC thành phần tốc độ 1/2 có thể được biểu diễn như sau. - Trong bộ mã hóa, với cùng chuỗi thông tin được mã hóa hai lần nhưng theo một trật tự khác nhau. - Bộ mã hóa thứ nhất mã hóa trực tiếp chuỗi đầu vào, chuỗi đầu vào được ký hiệu là c có chiều dài là N. - Bộ mã hóa thành phần thứ nhất có hai đầu ra. - Đầu ra thứ nhất được ký hiệu là v0 chính là chuỗi đầu vào khi bộ mã hóa có hệ thống. - Chuỗi thông tin đã hoán vị tại đầu vào của bộ mã hóa thứ hai được ký hiệu là c~. - Chỉ có chuỗi kiểm tra chẵn lẻ của bộ mã hóa thứ hai được truyền đi, chuỗi này được ký hiệu là v2. - Chuỗi thông tin v0 và chuỗi kiểm tra chẵn lẻ của bộ mã hóa thứ hai v1, v2 được ghép để tạo ra chuỗi mã turbo. - RSC Encoder1 RSC Encoder 2 Interleaver c v0 v1 v2 c~ LUẬN VĂN CAO HỌC 16 Ví dụ 2.1: Bộ mã hóa turbo theo TLTK[3] tốc độ 1/3 Một bộ mã hóa turbo tốc độ 1/3 dựa trên mã RSC (2, 1, 4) như hình 2.2. - Hình 2.2: Bộ mã hóa turbo tốc độ 1/3 Ma trận sinh của mã RSC như sau DDDDDDG theo [1] của tài liệu tham khảo (2.2) Ta giả sử rằng chuỗi đầu vào là. - c Hai chuỗi đầu ra của bộ mã hóa thứ nhất. - c Chuỗi kiểm tra chẵn lẻ của bộ mã hóa thứ hai là. - v Cuối cùng chuỗi mã hóa turbo là
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt