Nghiên cứu các sơ đồ mã hóa kênh, đan xen và phối hợp tốc độ trong hệ thống thông tin di động 4g LTE

Một trong những vấn đề cốt lõi trong quá trình chuẩn hóa 4G LTE của tổ chức3GPP là việc nghiên cứu và áp dụng các phương thức mã hóa kênh, đan xen cùng vớinguyên lý phối hợp tốc độ cho m

HOÀNG ĐỨC TỈNH

NGHIÊN CỨU CÁC SƠ ĐỒ MÃ HÓA KÊNH, ĐAN XEN VÀ PHỐI HỢP TỐC

ĐỘ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG BĂNG RỘNG 4G LTE

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã số: 60.52.70

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2012

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Phạm Anh Dũng

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

Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 và thứ 3 vẫn đang pháttriển không ngừng nhưng các công ty viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu tiếnhành triển khai thử nghiệm các chuẩn di động thế hệ mới 4G với nhiều tiềm năng,trong đó có công nghệ LTE (Long Term Evolution)

Một trong những vấn đề cốt lõi trong quá trình chuẩn hóa 4G LTE của tổ chức3GPP là việc nghiên cứu và áp dụng các phương thức mã hóa kênh, đan xen cùng vớinguyên 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 kênhđan xen và phối hợp tốc độ, ứng dụng của các phương pháp này vào hệ thống thôngtin di động băng rộng 4G LTE, tôi đã chọn đề tài tốt nghiệp của mình là: “Nghiên

cứu các sơ đồ mã hóa kênh đan xen và phối hợp tốc độ trong hệ thống thông tin

di động băng rộng 4G LTE”.

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, người đãluôn chỉ bảo tôi nhiệt tình trong quá trình làm luận văn Đồng thời cũng xin gửi lờicảm ơn tới người thân, bạn bè, đồng nghiệp,…đã tạo điều kiện cho tôi có thể hoànthành luận văn này

Hà Nội, ngày 24 tháng 06 năm 2012

Hoàng Đức Tỉnh

CHƯƠNG 1 CÁC THÁCH THỨC TRONG HỆ THỐNG THÔNG

TIN DI ĐỘNG BĂNG RỘNG 4G LTE.

1.1 Tổng quan hệ thống thông tin di động băng rộng 4G LTE.

3GPP đã khởi động việc nghiên cứu phát triển hệ thống thông tin di động 4Gvào tháng 11 năm 2004, bắt đầu từ hội thảo về phát triển công nghệ RAN cho mạng

di động băng rộng tại Toronto, Canada Hội thảo này nhận được sự quan tâm của rấtnhiều các tổ chức, bao gồm cả những tổ chức thành viên và không thành viên của3GPP với hơn 40 bài đóng góp về vấn đề phát triển mạng truy nhập vô tuyến từ các

tổ chức khác nhau trong lĩnh vực thương mại di động như các nhà cung cấp dịch vụ,các nhà sản xuất thiết bị đầu cuối, và các tổ chức nghiên cứu

Một tập hợp các yêu cầu mới đã được đề cập trong hội thảo nhằm cải thiệnthêm chất lượng dịch vụ và giảm chi phí cho nhà cung cấp và người sử dụng dịch vụ.Các yêu cầu đặt ra bao gồm

- Tăng dung lượng hệ thống và giảm thiểu chi phí trên từng bit được truyền

đi cũng như tối ưu phổ tần 2G, 3G đang tồn tại với phổ tần mới

- Cải thiện tốc độ truyền dữ liệu so với hệ thống 3G hiện tại, mục tiêu là đạtđược tốc độ 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên

- Tốc độ truyền dữ liệu cao hơn, với vùng phủ sóng rộng hơn và sử dụng linhhoạt giữa băng tần sẵn có và băng tần mới

- Dung lượng hệ thống sẽ được tăng gấp 3 lần so với các hệ thống hiện tại,đồng thời chất lượng dịch vụ sẽ được cải thiện với nhiều dịch vụ mới ở chi phí thấphơn

1.1.2 Kỹ thuật đa truy nhập trong LTE.

- OFDMA cho đường xuống

- SC-FDMA cho đường lên

1.1.3 Kiến trúc mạng.

Kiến trúc E-UTRAN bao gồm :

- eNodeB (Enhanced Node B)

- aGW (access Gate way)

eNodeB là phần tử mạng truy nhập cơ bản gồm một cell hoặc là một trạm thuphát sóng Nó cung cấp giao diện người sử dụng E-UTRA (PDCP/RLC/MAC/PHY)

và giao thức mặt phẳng điều khiển (RRC) tới UE

aGW ở cấp cao hơn eNB Một aGW có thể kết nối tới một hoặc nhiều eNB tùythuộc vào thiết kế mạng aGW thực hiện nhiều các chức năng khác nhau, cùng vớikhởi tạo tìm gọi (paging), mã hóa dữ liệu mặt phẳng người sử dụng và kiểm soátbearer SAE Chức năng aGW được chia thành 2 phần, MME (Mobility ManagementEntity – thực thể quản lý di động) và UPE (User Plane Entity – thực thể quản lý mặtphẳng ngưới sử dụng)

1.1.4 Các giao diện E-UTRAN.

Một trong những mục tiêu của E-UTRAN là đơn giản hóa và giảm thiểu sốlượng giao diện giữa các phần tử mạng Các giao diện giữa các phần tử mạng là S1(eNodeB-aGW) và X2 (giữa các eNodeB)

1.2 Các thách thức trong hệ thống thông tin băng rộng 4G LTE.

Cũng như tất cả các hệ thống thông tin di động băng rộng khác, 4G LTE cũngphải giải quyết 2 thách thức chính là sự thay đổi liên tục của kênh vô tuyến và giớihạn về băng thông

1.2.1 Ảnh hưởng của kênh vô tuyến lên hệ thống 4G LTE.

Các yếu tố chính hạn chế thông tin di động bắt nguồn từ môi trường vôtuyến là

- Suy hao Cường độ trường giảm theo khoảng cách Thông thường suy haonằm trong khoảng từ 50 tới 150dB tùy theo khoảng cách

- Nhiễu Các máy phát khác sử dụng cùng tần số hay các tần số lân cận khácgây nhiễu cho tín hiệu mong muốn Đôi khi nhiễu được gọi là tạp âm bổ sung.

1.2.2 Vấn đề băng thông và ảnh hưởng của nó tới truyền dẫn tốc độ cao.

Shannon đã đưa ra công cụ lý thuyết để xác định tốc độ cực đại được gọi làdung lượng cực đại mà hệ thống thông tin có thể được truyền trên một kênh thông tincho trước Mặc dù trong trường hợp tổng quát, công cụ này khác phức tạp, tuy nhiêntrong trường hợp đặc biệt khi thông tin được truyền trên một kênh (hay một đườngtruyền vô tuyến) chỉ bị ảnh hưởng của tạp âm Gauss trắng cộng, dung lượng kênh Cđược xác định bởi một biểu thức khá đơn giản sau

1.3 Một số công nghệ then chốt sử dụng trong hệ thống thông tin di động băng

rộng 4G LTE.

Ngoài việc áp dụng công nghệ OFDM, các công nghệ then chốt sử dụng trongthông tin di động băng rộng 4G LTE bao gồm:

- Kỹ thuật đa anten.

- Lập biểu, thích ứng đường truyền và HARQ trong 4G LTE.

1.4 Kết luận

Như đã trình bày ở trên, mã hóa kênh là một trong những khía cạnh rất quantrọng 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 vàHARQ trong LTE Các chương tiếp theo sẽ phân tích cụ thể hơn về lý thuyết mã hóakênh và các phương pháp mã hóa kênh phổ biến được áp dụng trong các chuẩn diđộng băng rộng, và sơ đồ mã hóa kênh áp dụng trong LTE.

CHƯƠNG 2 MÃ HÓA KÊNH VÀ ĐAN XEN.

2.1 Lý thuyết chung về mã hóa kênh.

Thông thường mã hoá kênh là quá trình xử lý tín hiệu số được thực hiện saunguồn tin số và trước điều chế Nhiệm vụ của nhà thiết kế hệ thống truyền dẫn số làcung cấp một hệ thống kinh tế để truyền thông tin từ nơi phát đến nơi nhận ở tốc độ

và mức độ tin cậy mà người sử dụng chấp thuận Hai thông số quan trọng mà nhàthiết kế có trong tay khi này là: thông số tín hiệu được phát và độ rộng băng tần củakênh truyền dẫn Hai thông số này cùng với mật độ phổ công suất của tạp âm thu xácđịnh tỷ số giữa năng lượng một bit tín hiệu và mật độ công suất tạp âm, Eb/N0 Tỷ sốnày xác định đơn trị tỷ số bit lỗi BER (Bit Error Rate) đối với một sơ đồ điều chếcho trước Các thiết kế thực tế thường đặt ra một giới hạn giá trị mà ta có thể phân bổcho Eb/N0 Trong thực tế tuỳ theo hoàn cảnh ta thường phải sử dụng một sơ đồ điềuchế mà với sơ đồ này không thể đảm bảo chất lượng số liệu Đối với tỷ số Eb/N0 cốđịnh cách duy nhất để đạt được chất lượng số liệu quy định là sử dụng mã hoá kênh

Lý thuyết mã hóa đã chứng công thức liên quan đến khoảng cách Hamming tốithiểu giữa các từ mã và số bit lỗi mà mã cho phép phát hiện và sửa như sau:

* Khả năng phát hiện lỗi:

2.2 Mã khối tuyến tính.

Trong loại mã này luồng thông tin được chia thành các khối có độ dài bằngnhau được gọi là các khối bản tin Các bit nhận được ở đầu ra của bộ mã hoá đượcgọi là từ mã Các bit dư được bổ sung vào các khối theo một thuật toán nhất định phụthuộc vào loại mã được sử dụng, các bit này thường được gọi là các bit kiểm tra Các

mã khối được xác định bằng ba thông số: độ dài khối bản tin k, độ dài từ mã n vàkhoảng cách Hamming cực tiểu dm Tỷ số r = k/n được gọi là tỷ lệ mã Các bit kiểmtra có độ dài n-k Bộ mà hoá được ký hiệu (n,k)

Hoạt động của bộ mã hoá có thể đựơc biểu diễn toán học ở dạng ma trận hay

đa thức Các ma trận hay các đa thức này được gọi là các ma trận tạo mã hay các đathức tạo mã Trong luận văn này chỉ tập trung vào phân tích đa thức tạo mã Do phạm

vi nghiên cứu của đề tài, luận văn chỉ thực hiện nghiên cứu về mã vòng (mã CRC).Một tập con của mã khối tuyến tính

2.3 Mã vòng.

Trong phần này luận văn sẽ trình bày việc sử dụng đa thức tạo mã để xây dựngcác bộ tạo mã vòng (mã CRC) Đồng thời luận văn cũng sẽ trình bày về sơ đồ bộ mãhóa vòng dựa trên quá trình tạo mã vòng từ đa thức tạo mã và giải thuật xác định lỗicủa khối mã CRC bằng syndrom

2.3.1 Đa thức tạo mã.

Ta có thể biểu diền từ mã là dạng đa thức bậc (n-1) sau đây:

c = c0 + c1 x+ c2x2 + + cn-1 xn-1Một mã vòng (n,k) được đặc tả bởi tập đầy đủ các đa thức bậc (n-1) hay thấphơn và nhận một đa thức bậc thấp nhất (n-k) làm thừa số Thừa số đặc biệt này được

ký hiệu là g(x) và được gọi là đa thức tạo mã của mã này

c(x) = a(x)g(x)mod(xn-1)trong đó m(x) là một đa thức của x g(x) là đa thức tạo mã được biểu diễn nhưsau:

g(x) = g0 + g1x + g2x2 + + gn-kxn-ktrong đó gi={0,1}

Còn m(x) là đa thức của khối bản tin k bit được biểu diễn như sau:

m(x) = m0 + m1x + m2x2 + + mk-1x

k-Quá trình thực hiện mã hoá cho một mã vòng (n,k) như sau:

 Nhân đa thức bản tin m(x) với xn-k

 Chia xn-k m(x) cho đa thức tạo mã g(x) để được phần dư b(x)

 Cộng b(x) với xn-km(x) để nhận được đa thức từ mã c(x)

2.3.2 Sơ đồ bộ mã hoá vòng.

Ba bước trong thủ tục mã hóa vòng nói trên được thực hiện ở bộ lập mã baogồm một thanh ghi dịch (n-k) tầng có mạch hồi tiếp tuyến tính

Hình 2.1 Sơ đồ bộ mã hóa vòng

2.3.4 Giải thuật xác định lỗi trong mã vòng CRC.

Để xác định từ mã nhận được từ bộ mã vòng có bị lỗi hay không ta tínhsyndome Bộ tính toán Syndrome có sơ đồ giống như bộ tạo mã chỉ khác ở chỗ cácbit của từ mã thu được được đưa vào (n-k) tầng của thanh ghi dịch có hồi tiếp từ phíabên trái

2.4 Mã xoắn (mã chập).

Mã xoắn được trình bầy bởi ba số nguyên: n, k và K, trong đó r = k/n cũngđược gọi là tỷ lệ mã như trường hợp hợp mã khối Số nguyên K được gọi là độ dàihạn chế; nó thể hiện số lần dịch cực đại của một nhóm k bit bản tin mà sau đó nhóm kbit này không còn gây ảnh hưởng lên đầu ra bộ tạo mã Một đặc tính quan trọng củacác mã xoắn khác biệt so với các mã khối là bộ tạo mã của chúng có bộ nhớ, nên quátrình tạo ra n phần tử ở đầu ra của các bộ lập mã này không chỉ phụ thuộc vào k bitđầu vào mà còn phụ thuộc vào (K-1) tập hợp k bit đầu vào trước đó

Hình 2.2 Sơ đồ tổng quát của bộ tạo mã xoắn tỷ lệ mã k/n

2.4.1 Tạo mã xoắn.

Mã xoắn được tạo ra bằng cách cho một chuỗi bit thông tin đi qua các tầng nhớ(thường là các thanh ghi dịch tuyến tính trạng thái hạn chế) Tổng quát các bộ nhớtrong bộ mã hoá xoắn bao gồm M tầng (k bit ở mỗi tầng) và n bộ tạo hàm đại sốtuyến tính ở dạng cộng modul-2 Các bit số liệu ở đầu vào của bộ mã hoá được dịchvào bộ nhớ mỗi lần k bit Số các bit đầu ra của bộ lập mã cho mỗi lần dịch k bit đầuvào là n bit, trong đó k<n Tương tự như đối với mã khối tuyến tính, tỷ số r = k/nđược gọi là tỷ lệ mã Theo định nghĩa độ dài hạn chế thì K=M+1

Hoạt động của bộ tạo mã xoắn có thể đựơc phân tích dựa trên các công cụ như:Chuỗi tạo mã, đa thức tạo mã, biểu đồ cây, biểu đồ trang thái, biểu đồ lưới

Do khuôn khổ hạn chế, luận văn chỉ tập trung phân tích các nội dung bên dưới:

2.4.2 Chuỗi tạo mã và đa thức tạo mã.

2.4.3 Biểu đồ trạng thái.

2.4.4 Biểu đồ lưới.

2.4.5 Giải thuật giải mã xoắn.

- giải mã quyết định mềm (Soft decision) và giải mã quyết định cứng (Hard decision).

2.5 Mã Turbo.

Mã turbo đựơc xây dựng trên cơ sở mã PCCC (Parallel ConcatenedConvolutional Code: mã xoắn móc nối song song) Mã này bao gồm nhiều bộ mã hoáthành phần Để đạt đựơc hiệu năng tốt, các mã thành phần phải là các mã hồi quynhưng không nhất thiết phải là các mã hệ thống Tuy nhiên để đơn giản các mã thànhphần thường được sử dụng là các mã hệ thống và vì thế các mã RSC (RecursiveSystematic Convolutional: Mã xoắn hồi quy hệ thống) thường được sử dụng Mãxoắn được coi là mã xoắn hệ thống (SC: Systematic Convolutional) khi các bit thôngtin đựơc đưa trực tiếp ra đầu ra Trường hợp ngược lại mã xoắn đựơc coi là phi hệthống Trong họ các mã SC, các mã hồi quy được đặc biệt quan tâm vì chúng có hiệunăng tốt hơn các mã phi hệ thống khi tỷ số tín hiệu trên tạp âm thấp

2.5.3 Sơ đồ bộ tạo mã turbo

sơ đồ bộ tạo mã turbo dược xây dựng trên hai bộ tạo mã RSC

Hình 2.3 Bộ tạo mã turbo dựa trên bộ tạo mã RSC

2.5.4 Giải thuật giải mã turbo.

Khi sử dụng các mã turbo, quá trình giải mã là quá trình lặp Các giải thuật này

có hai khối giải mã vào mềm ra mềm (SISO) hoạt động gắn bó với nhau Có hai loạigiải thuật giải mã turbo chính hiện đang được sử dụng cho các bộ giải mã turboSISO: giải thuật Viterby ra mềm (VA/SOVA) và giải thuật cực đại hậu định (MAP)(giải thuật này cũng đựơc biết đến như là giải thuật BCJT theo tên của các tác giảBahl, Cocke, Jelinek và Ravive) Cả hai giải thuật đều dựa trên lưới Giải thuật MAP

là giải thuật tốt nhất trong số hai giải thuật nói trên, vì thế trong luận văn này ta chỉxét MAP

2.6 Sơ lược về mã LDPC.

Mã LDPC (Low-Density Parity-Check code – Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độthấp), hay còn gọi là mã Gallager, được đề xuất bởi Gallager vào năm 1962 Ngàynay, người ta đã chứng minh được hiệu năng của các mã LDPC không đều có độdài khối lớn có thể tiệm cận giới hạn Shannon Về cơ bản đây là một loại mã khốituyến tính có đặc điểm là các ma trận kiểm tra chẵn lẻ (H) là các ma trận thưa (sparse

matrix), tức là có hầu hết các phần tử là 0, chỉ một số ít là 1 Theo định nghĩa củaGallager, ma trận kiểm tra chẵn lẻ của mã LDPC còn có đặc điểm là mỗi hàng chứađúng i phần tử 1 và mỗi cột chứa đúng j phần tử 1.

2.7 Kết luận.

Lý thuyết mã hóa kênh là một đề tài được nghiên cứu và tranh luận sôi nổitrong những thập kỷ gần đây bởi các tổ chức nghiên cứu, các nhà sản xuất thiết bị vàcác tổ chức chuẩn hóa công nghệ, đặc biệt là kể từ sau khi mã turbo cùng thuật toángiải mã lặp ra đời đưa chất lượng truyền dẫn tới gần hơn với giới hạn Shannon Tổchức 3GPP cũng đã sớm đưa kỹ thuật mã hóa kênh vào chuẩn hóa trong các chuẩncông nghệ của mình với việc áp dụng mã xoắn và mã hóa turbo trong sơ đồ mã hóakênh của chuẩn UMTS đầu năm 1999 Các bản phát hành sau đó của tổ chức 3GPPnhư HSPA, LTE đã tăng thêm ưu điểm mã hóa kênh bằng cách giới thiệu thêm các

kỹ thuật thích ứng đường truyền, HARQ Chương tiếp theo sẽ phân tích chi tiết hơn

về các sơ đồ mã hóa kênh được áp dụng trong LTE

CHƯƠNG 3 MÃ HÓA KÊNH ĐAN XEN VÀ PHỐI HỢP TỐC ĐỘ

TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE.

3.1 Các sơ đồ mã hóa kênh trong LTE.

Chương 3 trình bày các thủ tục mã hóa kênh trong LTE Đồng thời cũng sẽtrình bày các sơ đồ mã hóa và giải mã kênh được sử dụng cho các kênh truyền tảikhác nhau trong hệ thống LTE

Hình 3.1 Xử lý kênh DL-SCH, PCH, MCH