Mã turbo trong thông tin di động 3g

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Nguyễn Trung Hiếu MÃ TURBO TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2011 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Đinh Thế Cường Phản biện 1: …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………… Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Mở đầu Trong xã hội ngày nay, thông tin mang ý nghĩa hết sức quan trọng. Vì vậy trong những năm qua , các nhà khoa học, các nhà cung cấp dịch vụ không ngừng nghiên cứu để cải thiện chất lượng dịch vụ và cung cấp những dịch vụ mới nhằm đáp ứng nhu cầu về sử dụng dịch vụ thông tin của con người, đặc biệt là trong lĩnh vực thông tin di động. Nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng tăng cả về số lượng, chất lượng và các loại hình dịch vụ kèm theo đòi hỏi phải tìm ra các phương thức mới để nâng cao và phát triển mới có thể đáp ứng được các nhu cầu đó. Chính vì vậy thông tin di động 3G được đưa ra nhằm giải quyết phần nào vấn để đó. Hệ thống thông tin di động 3G ra đời đã chứng minh được những ưu điểm của mình so với các hệ thống trước đó, nhưng vấn đề đặt ra là giải quyết làm sao cho việc trao đổi thông tin và cung cấp dịch vụ đạt hiệu quả nhất. Có rất nhiều các công nghệ, kỹ thuật được đưa ra nhằm giải quyết vấn để này và kỹ thuật mã kênh trong trong thông tin di động được đưa vào sử dụng đã chứng minh được ưu điểm của mình. Trong quá trình mã hóa, mã turbo thường được sử dụng và đem lại kết quả rất khả quan.Vấn để đưa ra là làm sao cho việ sử dụng mã turbo đem lại kết quả tốt nhất. Vì thế việc “cải thiện chất lượng mã turbo trong thông tin di động 3G” đang rất được quan tâm. Do thời gian có hạn, luận văn không thể trình bày hết được tổng thể của các mạng 3G nên Trong luận văn này sẽ đi sâu vào tìm hiểu về mạng WCDMA là chủ yếu. Cấu trúc luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về thông tin di động 3G Nội dung của chương giúp ta tìm hiểu một cách tổng quan vẻ mạng di động 3G như lịch sử phát triển, các kỹ thuật hay được sử dụng mà ở đây là 2 công nghệ chính đó là điều khiển công suất và kỹ thuật chuyển giao. Chương 2: Phương pháp mã hóa trong thông tin di động 3G (WCDMA) Nội dung của chương 2 tìm hiểu về cấu trúc cụ thể của một mạng di động 3G cũng như lớp vật lý của WCDMA. Qua chương 2 cũng đưa ra các kỹ thuật mã hóa thường được sử dụng trong WCDMA. Chương 3: Mã turbo trong thông tin di động 3G Đây cũng là chương chính của luận văn, chương này trình bày về cấu trúc của bộ mã hóa và bộ giải mã turbo. Trong chương này cũng trình bày một phương pháp để nhằm cải thiện chất lượng mã turbo trong thông tin di động 3G nhờ kết hợp mã turbo với điều chế 4PSK. Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG Trong chương này chúng ta tìm hiểu về lịch sử phát triển của thông tin di động và thông tin di động 3G cùng một số phương pháp làm tăng tính hiệu quả trong quá trình phát triển dịch vụ của 3G như: điều khiển công suất, chuyển giao mềm,… 1.1. Lịch sử phát triển thông tin di động Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm tại ST Louis, băng Missouri của Mỹ. Tháng 12-1971 đưa ra hệ thống cellular kỹ thuật tương tự, FM ở dải tần số 850Mhz. Dựa trên công nghệ này đến năm 1983, mạng điện thoại di động AMPS (Advance Mobile Phone Service) phục vụ thương mại đầu tiên tại Chicago nước Mỹ (1G) Thế hệ thứ 2 (2G) được phổ biến trong suốt thập niên 90. Đây là thời kỳ chuyển đổi các công nghệ từ analog sang digital. Thế hệ thứ 3 (3G), từ năm 1992 Hội nghị thế giới truyền thông dành cho truyền thông một số giải tần cho hệ thống thông tin di động 3G: phổ rộng 230MHz trong giải tần 2GHz, trong đó 60MHz được dành cho liên lạc vệ tinh. Sau đó Liên Hiệp Quốc Tế Truyền Thông (UIT) chủ trương một hệ thống thông tin di động quốc tế toàn cầu với dự án IMT- 2000 sử dụng trong các dải tần 1885-2025MHz và 2110-2200MHz. Thế hệ 3G gồm các kỹ thuật: W-CDMA (Wide band CDMA) kiểu FDD và TD-CDMA (Time Division CDMA) kiểu TDD. Dịch vụ bắt đầu từ năm 2001 - 2002. 1.2. Giới thiệu về hệ thống thông tin di động 3G 1.2.1. Lịch trình nghiên cứu phát triển hệ thống thông tin di động thế hệ ba Công trình nghiên cứu của các nước Châu Âu cho W-CDMA đã bắt đầu từ các đề án CDMT (Code Division Multiple Testbed): Phòng thí nghiệm đa truy nhập theo mã) và FRAMES (Future Radio Multiple Access Scheme: Sơ đồ đa truy nhập vô tuyến tương lai) từ đầu thập niên 90. * Lịch trình nghiên cứu và đưa mạng W-CDMA vào khai thác: Ở Châu Âu và Châu Á, hệ thống W-CDMA được đưa ra khai thác vào đầu năm 2002 Lịch trình nghiên cứu phát triển của cdma2000/3GPP2 chia thành 2 pha: - Pha 1: (1997 – 1999) Nghiên cứu phát triển mẫu đầu tiên của hệ thống. - Pha 2: (2000 -2002) + Phát triển hệ thống với mục tiêu thương mại ở các nhà sản xuất hàng đầu ; + Năm 2002: Bắt đầu dịch vụ thương mại 1.2.2.Các chuẩn của 3G Lúc đầu 3G được dự kiến là một chuẩn thống nhất trên thế giới, nhưng trên thực tế, thế giới 3G đã bị chia thành 4 phần: UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), dựa trên công nghệ truy cập vô tuyến W-CDMA, là giải pháp nói chung thích hợp với các nhà khai thác dịch vụ di động (Mobile Network operator) sử dụng GSM. FOMA: Thực hiện bởi công ty viễn thông NTT DoCoMo Nhật bản vào năm 2001, được coi như một dịch vụ thương mại 3G đầu tiên và không tương thích với UTMS dù sử dụng công nghệ WCDMA. CDMA2000: Là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95. CDMA2000 cung cấp tốc độ dữ liệu từ 144kbit/s tới trên 3Mbit/s. TD-SCDMA đang được phát triển tại Trung Quốc bởi công ty Datang Và Siemens. Hỗ trợ tốc độ từ 384kbit/s đến 2Mbit/s. 1.2.3.Các Thông số kỹ thuật. Các thông số kỹ thuật của WCDMA được mô tả bởi bảng dưới đây. Bảng 1.2. Bảng thông số kỹ thuật của WCDMA Băng thông kênh 5MHZ Chế độ song công FDD và TDD Cấu trúc kênh RF đường xuống Lan truyền trực tiếp Tốc độ chip 3.84Mbps Độ rộng khung 10ms Điều chế trải phổ Cân bằng QPSK (spreading modulation) (đường xuống) kênh kép QPSK (đường lên) Điều chế dữ liệu QPSK (Đường xuống) BPSK (Đường lên) Mã hóa kênh Mã xoắn và mã turbo Phát hiện kết hợp Người dùng kênh hoa tiêu chuyên dụng ghép theo thời gian (UL(up link) và DL(Down link)) và kênh hoa tiêu chung ở DL Ghép kênh ở đường xuống Ghép kênh theo thời gian kênh điều khiển và kênh dữ liệu. Ghép kênh trong đường lên Ghép kênh theo thời gian kênh điều khiển và kênh hoa tiêu. Ghép kênh I &Q cho kênh dữ liệu và kênh điều khiển Nhiều giá trị Biến đổi trải phổ và đa mã Hệ số trải phổ 4-256 UL và 4- 512DL Điều khiển công suất Vòng hở và vòng kín nhanh (1.6Khz) Trải phổ (spreading) (DL) Chuỗi OVSF cho tách kênh và chuỗi Gold 2 18 -1 dùng cho tách cell và tách người sử dụng Trải phổ (spreading )(UL) Chuỗi OVSF và chuỗi Gold 2 41 dùng cho tách người sử dụng Chuyển giao Chuyển giao mềm và chuyển giao cứng nội tần 1.3. Các kỹ thuật dùng trong 3G 1.3.1. Điều khiển công suất 1.3.1.1. Ý nghĩa của điều khiển công suất Việc điều khiển công suất được đưa vào để giải quyết vấn đề “gần – xa” và để tăng tối đa dung lượng hệ thống. Điều khiển công suất là điều khiển suất phát từ mỗi thuê bao sao cho công suất thu của mỗi thuê bao ở trạm gốc bằng nhau. Do công suất phát của máy thấp nên có thể làm tăng tuổi thọ của pin. 1.3.1.2. Phân loại điều khiển công suất. Khi xét đến một hệ thống điều khiển công suất thực tế ta cần chú ý xem xét các mặt sau: * Tiêu chuẩn chất lượng * Những phép đo * Thời gian trễ Dựa vào các tiêu chí đặt ra để phân loại điều khiển công suất người ta phân việc điều khiển công suất ra làm 2 loại chính đó là: Điều khiển công suất vòng hở và điều khiển công suất vòng kín. 1.3.1.2.1. Điều khiển công suất vòng hở . 1.3.1.2.1.1. Điều khiển công suất vòng hở đường lên. Chức năng PC (Power Control) được thực hiện cả ở đầu cuối và UTRAN. Chức năng này đòi hỏi một số thông số điều khiển được phát quảng bá trong ô và công suất mã tín hiệu thu được RSPC (Received Signal Code Power) được đo tại UE (User Equipment) trên P-CPICH (Primary Common Pilot Channel) tích cực. 1.3.1.2.1.2. Điều khiển công suất vòng hở đường xuống. Trên đường xuống, PC vòng hở để thiết lập công suất khởi đầu các kênh đường xuống trên cơ sở báo cáo đo đạc từ UE. Chức năng này được thực hiện cả ở UE và UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network). 1.3.1.2.2. Điều khiển công suất vòng kín 1.3.1.2.2.1. Điều khiển công suất vòng trong đường lên. Điều khiển công suất vòng trong đường lên được sử dụng để thiết lập công suất DPCH (Dedicated Physical Channel) và CPCH (Common Physical Chanel) đường lên. Node B nhận được SIR đích từ UL PC vòng ngoài ở RNC và so sánh nó với SIR ước tính trên ký hiệu hoa tiêu của DPCCH (Dedicated Physical Control Chanel ) đường lên trong từng khe. Nếu SIR thu được lớn hơn SIR đích, Node B phát lệnh “hạ thấp” đến UE, ngược lại Node B phát lệnh “tăng thêm” đến UE trên DPCCH đường xuống. 1.3.1.2.2.2. Điều khiển công suất vòng trong đường xuống UE nhận BLER (block error rate) đích do RNC (Radio Network Controller) thiết lập cho DL PC vòng ngoài cùng với các thông số điều khiển khác. UE so sánh SIR ước tính với SIR đích. Nếu ước tính lớn hơn đích, UE phát lệnh TPC “giảm phát đường xuống” đến Node B, ngược lại nó phát lệnh TPC “tăng” đến Node B. 1.3.1.2.2.3. Điều khiển công suất vòng ngoài đường lên UL PC vòng ngoài thực hiện ở SRNC (Serving Radio Network Controller) để lập SIR đích tại Node B cho từng UL PC vòng trong. SIR đích được cập nhật cho từng UE dựa trên ước tính chất lượng đường lên (BLER và BER) cho kết nối RRC(Radio Resource Control). 1.3.1.2.2.4. Điều khiển công suất vòng ngoài đường xuống DL PC vòng ngoài được thực hiện tại UE, giá trị SIR đích cho DL PC vòng trong được điều chỉnh bởi UE bằng cách sử dụng một thuật toán riêng đảm bảo chất lượng đo (BLER) giống như chất lượng đích do RNC thiết lập. 1.3.2. Kỹ thuật chuyển giao 1.3.2.1. Khái quát về kỹ thuật chuyển giao trong mạng di động Các mạng di động cho phép người dùng truy cập dịch vụ trong khi di chuyển để giúp khách hàng có thể di chuyển một cách thoải mái mà vẫn sử dụng được dịch vụ nên nó đòi hỏi chuyển giao vùng đối với thiết bị của người sử dụng để đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ không dây khi người sử dụng điện thoại di động di chuyển qua các vùng biên giới của trạm thu phát sóng. Kể từ khi giới thiệu Công nghệ CDMA, một ý tưởng đã được đề xuất để cải thiện việc chuyển giao là quá trình chuyển giao mềm. 1.3.2.2.Các loại chuyển giao trong hệ thống 3G – WCDMA Có 4 loại chuyển giao trong hệ thống thông tin di động WCDMA. Đó là:  Chuyển giao nội bộ hệ thống Chuyển giao trong hệ thống là chuyển giao xảy ra trong vòng một hệ thống. nó được chia thành 2 loại là chuyển giao trong một tần số và chuyển giao liên tần số.  Chuyển giao liên hệ thống Chuyển giao liên hệ thống là nơi giữa các tế bào có các tế bào có công nghệ công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau (RAT) hoặc chế độ truy nhập vô tuyến khác nhau (RAM). Quyết định chuyển giao trễ được giảm thiểu đáng kể nhất.  Chuyển giao cứng (HHO) HHO là một loại thủ tục HO trong đó tất cả các đường liên kết vô tuyến cũ của một điện thoại di động được phát trước khi các đường liên kết vô tuyến mới được thành lập. Chuyển giao cứng có thể xảy ra trong một số trường hợp như: chuyển giao từ một cell này sang cell khác khi hai cell có cùng tần số sóng mang khác nhau hoặc từ một cell này sang cell khác khi các cell được nối đến 2 RNC khác nhau và không tồn tại giao diện Iu r giữa hai RNC này.chuyển giao cứng gồm : + Chuyển giao cứng cùng tần số +Chuyển giao cứng khác tần số  Chuyển giao mềm và mềm hơn. Chuyển giao mềm là loại phương tiện chuyển giao đặc trưng CDMA thực hiện trong hệ thống UMTS và tạo thành một trong những tính năng đặc trưng nhất của phương pháp truy cập WCDMA. Chuyển giao mềm và mềm hơn xảy ra khi các trạm di động có sự chồng chéo của 2 cell lân cận. Trong trường hợp trạm di động chuyển giao mềm là vùng phủ sóng của 2 cell trong khu vực chồng chéo lên nhau thuộc các trạm gốc khác nhau. Chuyển giao mềm hơn là nơi mà một trạm gốc nhận được 2 tín hiệu người dùng từ hai khu vực liền kề mà nó phục vụ. 1.4.Kết luận chương Trong chương một chúng ta đã tìm hiểu lịch sử phát triển của thông tin di động cũng như lý do tại sao cần phải phát triển một thế hệ mới là thông tin di động thế hệ thứ 3 để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng. Qua chương 1 chúng ta cũng nắm được một số phương pháp kỹ thuật được áp dụng trong 3G nằm nâng cao tính hiệu quả của dịch vụ. Trong chương tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu cụ thể về cấu trúc cụ thể của mạng 3G ( cụ thể là mạng WCDMA) và một số kỹ thuật mã hóa trong mạng. Chương 2 CÁC KỸ THUẬT MÃ HÓA TRONG 3G Trong thông tin di động 3G, kỹ thuật mã hóa đóng vai trò hết súc quan trọng. Nó làm cho việc truyền tải tín hiệu trở nên thuận tiện, cũng như làm giảm xác suất lỗi trong quá trình truyền tín hiệu cũng như tăng tốc độ và làm giảm băng thông. Trong chương này đi sâu vào trình bày về sơ đồ khối tín hiệu trong thông tin di động 3G (WCDMA) và lớp vật lý trong WCDMA để làm nổi bật chức năng của lớp vật lý, qua đó đưa ra các kỹ thật mã hóa thường sử dụng trong thông tin di động 3G. 2.1. Sơ đồ khối trong 3G (WCDMA) 2.1.1. Mô hình cấu trúc Mô hình cấu trúc của WCDMA được mô tả như hình 2.1 Hình 2.1. Mô hình cấu trúc hệ thống WCDMA Nó bao gồm +UE (User Equipment) UE gồm 2 phần: - Thiết bị di động (ME: mobile Equipment): là đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu. - Module nhận dạng thuê bao UTMS ( USIM): là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng của thuê bao, thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ các khóa nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối. + UTRAN (UMTS: Universal Terestrial Radio Access Network) Mạng truy cập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy cập vô tuyến. UTRAN gồm hai phần tử: Node B và RNC. + CN (Core Network) Các phần tử chính của lõi mạng gồm: [...]... của thông tin di động 3G cấu trúc của một mạng di động mà cụ thể là WCDMA cũng như một số kỹ thuật được dùng để cải thiện chất lượng trong mạng WCDMA Trong luận văn cũng đi vào tìm hiểu về lớp vật lý và các kỹ thuật mã hóa trong WCDMA để từ đó tìm hiểu về mã turbo trong thông tin di động 3G (WCDMA) Luận văn cũng đưa ra được phương pháp cải thiện chất lượng mã turbo để nâng cao hiệu quả sử dụng trong thông. .. interleaver) giả ngẫu nhiên và thuật toán giải mã lặp với chất lượng tiến tới giới hạn Shannon khoản vài phần mười dB Hiện nay, mã turbo được sử dụng trong thông tin di động thế hệ thứ 3, 4, trong thông tin vệ tinh, trong truyền thông vũ trụ trong chương này trình bày về sự ra đời của mã turbo, quá trình mã hóa và giải mã turbo cũng như các ứng dụng của nó trong khoa học kỹ thuật ngày nay Phần cuối chương... các ứng dụng của nó trong khoa học kỹ thuật ngày nay Phần cuối chương trình bày về phương pháp cải thiện chất lượng mã turbo trong thông tin di động 3G cũng như phần mô phỏng để thấy được sự tối ưu của mã turbo trong thông tin di động 3G so với các mã khác 3.1 Sự ra đời của mã Turbo Các mã turbo lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1993 bởi Bernou, Glavieux và Thitimajshima, đưa ra giản đồ về xác suất... Các kỹ thuật mã hóa trong 3G 2.3.1 Mã Vòng Mã khối là loại mã chia dòng thông tin thành những khối tin có k bit Mỗi tin được biểu di n bằng một khối k thành phần nhị phân u = (u1, u2, …, uk), u được gọi là vector thông tin Có tổng cộng 2k vector thông tin khác nhau Bộ mã hóa sẽ chuyển vector thông tin u thành một bộ n thành phần v= (v1, v2 ,…,vn) được gọi là từ mã Mã vòng là phương pháp mã hóa cho phép... một số phương pháp nâng cao hiệu quả chất lượng 3G được thực hiện tại lớp vật lý cụ thể là phương pháp mã hóa Trong chương này cũng trình bày một số phương pháp mã hóa để làm nổi bật mã turbo khi được ứng dụng trong 3G sẽ được trình bày cụ thể ở chương sau Chương 3 MÃ TURBO TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G( WCDMA) Mã Turbo được giới thiệu vào năm 1993 gồm 2 mã xoắn đệ quy được kết nối song song , phân biệt... parity, trong khi đó tốc độ của bộ mã hóa vẫn được duy trì là r = ½ Hình 2.7 Mã xoắn hệ thống đệ quy với tốc độ ½ có thể được sử dụng cho mã Turbo theo chuẩn UMTS 2.3.3 Mã hóa turbo Quá trình mã hóa này sẽ được trình bày cụ thể trong chương 3 2.4.Kết luận chương Trong chương 2 chúng ta đã được tìm hiểu về cấu trúc tổng quát của một mạng di động 3G ( WCDMA) và lớp vật lý trong thông tin di động 3G (WCDMA)... hơn 3.5.Các ứng dụng của mã turbo Mã turbo nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu do truyền dữ liệu gần với giới hạn Shannon Việc mã hóa này được sử dụng trong nhiều ứng dụng như lưu trữ dữ liệu, truyền thông hữu tuyến, truyền thông không dây, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3, truyền thông vệ tinh, viễn trắc và thông tin liên lạc vũ trụ… *Hệ thống lưu trữ dữ liệu Mã turbo đã được áp dụng... tạp tăng không đáng kể * Trong Thông tin di động 3G: Trong công nghệ 3G, mã turbo được sử dụng như một tiêu chuẩn kênh mã do khả năng đạt được tốc độ mã hóa cao hơnvà giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit của bộ giải mã Sử dụng mã Turbo trong công nghệ 3G đảm bảo thông lượng lớn hơn trong khi BER tỷ lệ nhỏ 3.6 Ưu điểm và nhược điểm của mã Turbo Mã Turbo có thể dùng làm tăng tốc độ dữ liệu mà không làm tăng công suất... *Truyền thông Vũ trụ Có thể ứng dụng thích hợp nhất của mã Turbo là ở truyền thông vũ trụ ( deep-space) Điều này trước hết là bởi vì sử dụng xen kẽ lớn có thể tối đa hóa được mã hóa turbo khi mà không cần quan tâm đến độ trễ Thứ hai, nhiều hơn hai bộ mã hóa sơ cấp có thể được kết hợp theo nhiều cách để tạo ra một mã turbo tốc độ thấp mạnh mà độ phức tạp tăng không đáng kể * Trong Thông tin di động 3G: Trong. .. nhiều dữ liệu hơn trong cùng một thời gian * Hệ thống truyền thông cố định Mã turbo có thể được áp dụng cho hệ thống truyền tải sử dụng điều chế đa sóng mang như các modem ADSL với công nghệ đa âm rời rạc (Discrete Multi-tone technology) (DMT) Với mã turbo, chúng ta có thể cải thiện băng thông tín hiệu do có được độ lợi mã hóa cao hơn Các bộ mã hóa turbo và bộ giải mã turbo của ADSL trong sơ đồ trên . để thấy được sự tối ưu của mã turbo trong thông tin di động 3G so với các mã khác. 3.1. Sự ra đời của mã Turbo Các mã turbo lần đầu tiên được giới. của bộ mã hóa và bộ giải mã turbo. Trong chương này cũng trình bày một phương pháp để nhằm cải thiện chất lượng mã turbo trong thông tin di động 3G nhờ