Nghiên cứu và thiết kế các phương pháp mã hóa kênh cho mạng di động 4g

MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: TỔNG QUAN MẠNG DI ĐỘNG 1.1 Sự phát triển mạng di động 1.2 Mục tiêu nâng cấp mạng di động 1.2.1 Tốc độ liệu cao tron 1.2.2 Tốc độ liệu cao tron 1.2.3 Tốc độ liệu cao với 1.2.4 Điều chế mức cao sử dụ 1.2.5 Sử dụng băng thông rộn 1.3 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số CHƢƠNG 2: MÃ HÓA KÊNH 2.1 Tổng quan kĩ thuật mã hóa kênh 2.2 Mã chập 2.2.1 Giới thiệu chung 2.2.2 chập TE-4G 2.2.3 Giải mã chập 2.3 Mã hóa Turbo 2.3.1 Giới thiệu mã Turbo 2.3.2 Mã hóa Turbo LT 2.3.3 Bộ trộn 2.3.4 Tổng quan thuật 2.3.5 Giải thuật MAP CHƢƠNG 3: KỸ THUẬT MÃ HÓA PHÂN TẬP KHÔNG GIAN TRONG HỆ THỐNG MIMO 3.1 Tổng quan kỹ thuật phân tập i 3.2 Phân tập không gian 3.3 Mơ hình hệ thống MIMO 3.3.1 Mã hóa STBC 3.3.2 Mã hóa SFBC 3.3.3 Mã hóa VBLAST CHƢƠNG 4: MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN 4.1 Giới thiệu mơ hình kênh truyền 4.1.1 Kênh truyền dẫn phân t 4.1.2 Mơ hình truyền thơng t 4.2 Mơ hình kênh SCM 4.2.1 Tổng quan mơ hình kên 4.2.2 Tham số mơi trường Su 4.2.3 Hệ số kênh 4.2.4 Các hàm tương quan CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 5.1 Giới thiệu chung 5.2 Th m số m 5.3 Kết mơ phịng KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu đưa luận văn dựa kết thu q trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn khoa học PSG.TS Nguyễn Văn Đức, không chép kết nghiên cứu tác giả khác Nội dung luận văn có tham khảo sử dụng số thông tin, tài liệu từ nguồn sách, tạp chí liệt kê danh mục Tài liệu tham khảo LÊ THỊ THOA iii A AoA AoD B BER BS C CRC D DFT E EnB F FDM FFT I IDFT IFFT ISI L LTE M MAC MAP MIMO MISO MS iv O OFDM P PDSCH PCCC Q QAM QPSK R RS RCS S SCM SER SFBC SIMO SISO SNR STBC W Wifi Wimax v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Mã hóa kênh sử dụng cho kênh liệu LTE 19 Bảng 2.2 Mã hóa kênh sử dụng cho kênh điều khiển 19 Bảng 2.3 Giá trị bảng trạng thái mã chập 24 Bảng 2.4 Sự phụ thuộc f1, f2 vào K [3] 40 Bảng 4.1 Tham số môi trường Suburban Macrocell[5] 67 Bảng 4.2 Góc lệch AoD AoA tuyến con[5] 69 Bảng 5.1 Các tham số mô hệ thống 76 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tỉ lệ yêu cầu nhỏ E0/Nb nhỏ máy thu[2] .8 Hình 1.2 Chịm điều chế QPSK(a), 16-QAM(b) 64QAM(c)[2] 12 Hình 1.3 Hệ thống OFDM với nguyên lý trực giao 16 Hình 1.4 Nguyên lý trực giao 17 Hình 2.1: Ví dụ mã chập với tốc độ mã R=1/2 K = 20 Hình 2.2 Sơ đồ cụ thể khối mã chập có tốc độ mã R = 1/2 K = 20 Hình 2.3 Sơ đồ mã hóa chập LTE[4] 21 Hình 2.4 Ví dụ mã chập LTE-4G với tốc độ mã R=1/3 k=7 .22 Hình 2.5 Khởi tạo giá trị cho ghi trạng thái 22 Hình 2.6 Quá trình làm việc mã chập có R = 1/3, K =7 23 Hình 2.7 Giản đồ lưới mã chập với tốc độ mã R=1/2 K = 25 Hình 2.8 Viterbi Decoding t =0 27 Hình 2.9 Viterbi Decoding t =1 28 Hình 2.10 Viterbi Decoding t =2 29 Hình 2.11 Viterbi Decoding t =3 30 Hình 2.12 Viterbi Decoding t =3, sau loại bỏ Hmax 30 Hình 2.13 Viterbi Decoding t =4 31 Hình 2.14 Viterbi Decoding t =5 32 Hình 2.15 Viterbi Decoding t =6 33 Hình 2.16 Viterbi Decoding t =7 34 Hình 2.17 Bộ m hóa Turbo 37 Hình 2.18 Mã hóa Turbo LTE 39 Hình 2.19: Sơ đồ giả m Turbo đơn giản[9] 42 Hình 2.20: Hai phương pháp để giải mã Turbo 44 Hình 2.21 Các trạng thái có chuyển dịch trạng thái RSC có k=3 46 Hình 2.22 Giải mã MAP sử dụng sơ đồ lưới 47 Hình 2.23 Chia trạng thái thành đoạn 49 Hình 3.1 Phân loại hệ thống thơng tin không dây 53 Hình 3.2 Ánh xạ tún hiệu STBC 54 Hình 3.3 Ánh xạ tín hiệu SFBC 56 Hình 3.4 Ánh xạ tín hiệu mã hóa V-BLAST 58 Hình 4.1 Mơ hình phản xạ truyền dẫn phân tập đa đường 60 Hình 4.2 Mơ hình truyền dẫn đa đường thực tế 61 Hình 4.4 Mơ hình truyền tín hiệu 64 vii Hình 4.5 Mơ hình kênh SCM[3] 66 Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống mơ 73 Hình 5.2 Ảnh hưởng số lần giải mã lặp đến hiệu m Turbo 77 Hình 5.3 Ảnh hưởng mức điều chế đến tỉ lệ lỗi bít 77 Hình 5.4 So sánh khả sửa lỗi mã Turbo mã xoắn sử dụng mã hóa MIMO SFBC 78 Hình 5.5 So sánh khả sửa lỗi mã Turbo mã xoắn sử dụng mã hóa MIMO VBLAST 79 Hình 5.6 So sánh kết hợp mã hóa MIMO mã hóa kênh .80 viii MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài uận văn “Nghiên cứu thiết kế phương pháp mã hóa kênh cho mạng di động 4G” đề cập đến vấn đề nghiên cứu lý thuyết kỹ thuật mã hóa kênh, đưa đặc điểm chi tiết mã hóa kênh ứng dụng mã hóa kênh kết hợp phương pháp m hóa khơng gian thời gian nhằm nâng cao chất lượng kênh truyền mạng di động 4G Mục đích nghiên cứu củ luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu củ luận văn Nghiên cứu lý thuyết Mã hóa kênh, ứng dụng Mã hóa kênh hệ thống thơng tin di động 4G 2.2 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu ý thuyết Mã hóa kênh, ứng dụng Mã hóa kênh hệ thống thơng tin di động 4G Nội dung củ luận văn đóng góp củ tác giả  Chương 1: Tổng quan mạng di động Chương trình bày trình hình thành phát triển mạng di thơng tin di động giải thích lý mục tiêu nâng cấp mạng di động  Chương 2: Mã hóa kênh Hai phương pháp m hóa kênh hóa chập Mã hóa Turbo trình bày chương  Chương 3: Kỹ thuật mã hóa phân tập khơng gian – thời gian Chương giải thích rõ khái niệm hệ thống phân tập MIMO loại mã sử dụng cho hệ thống phân tập  Chương 4: Mơ hình kênh truyền Chương đưa mơ hình kênh truyền SC , phân tích đặc tính tương quan kênh để áp dụng cho hệ thống MIMO với nhiều anten phát nhiều anten thu  Chương 5: Kết mô Các giả thiết phương pháp m hóa kênh kết hợp với phương pháp mã hóa khơng gian thời gian làm rõ chương kết mơ từ Matlab Cùng với nhận xét đánh giá cho trường hợp để lựa chọn phương pháp tối ưu 69 4.2.3 Hệ số kênh Sau xác định tham số mơi trường, ta tìm hệ số đáp ứng kênh công thức bên Xét hệ thống bao gồm S anten bên phát đặt thẳng hàng, U anten bên thu đặt thẳng hàng, hệ số kênh tuyến thứ n( n =1, , N) , anten thu thứ u(u =1, , U) anten phát thứ s ( s =1, , S) phụ thuộc theo thời gian sau: N hus (τ , t) = ∑ M n =1 Pσ n SF M m=1 Trong đó:  Pn : Cơng suất truyền đường thứ n  σSF : Hệ số Fading  M : số tia sóng tuyến  θn , m , AoD : góc tuyệt đối AoD tia tới thứ m tuyến thứ n so với trục bên MS  θn , m , AoA : góc tuyệt đối AoA tia tới thứ m tuyến thứ n so với trục bên BS  GBS (θn , m , AoD ) : hệ số tăng ích bên BS đường  GMS (θn , m , AoA : hệ số tăng ích bên S đường  k : số sóng 2π / λ với λ bước sóng(m) 70  ds : khoảng cách tham chiếu anten bên phát thứ s so với với anten phát thứ Khi s=1, d1=0  du : khoảng cách tham chiếu anten bên thu thứ u so với anten thu thứ Khi u=1, d1=0  φnm : pha tia sóng thứ m  || v || : độ lớn vận tốc  θv : góc di chuyển 4.2.4 Các hàm tƣơng qu n Trong phần này, ta xem xét đến tính tương quan khơng gian thời gian mơ hình kênh SCM Để đơn giản, ta giả sử:  Bỏ qua ảnh hưởng Fading hẹp σ SF - 0dB  Hệ số tăng ích anten bên thu phát 1: G BS Khi ta viết lại biểu thức tính hệ số kênh   exp ( j  kd sin (θ s n , m , AoD )+φnm = G MS =1   )  N hus (τ , t) = ∑ n =1 4.2.4.1 Hàm tƣơng qu n kh ng gi n bên thu Phương trình bên mơ tả phụ thuộc hệ số tương quan vào khoảng cách anten bên thu MS: r 11,22 (∆d )=r u 11,22 ∆ d s =0 = ∑ Theo mơ hình Suburban Macro, θn , m , AoA 71 θ = θ n , m , AoA + δ MS +∆ n , AoA n , m , AoA Trong :  θ MS : số  δ n , AoA ~ η(0, σ2AoA )  ∆n , m , AoA : lấy giá trị bảng 4.1 4.2.4.2 Hàm tƣơng qu n kh ng gi n bên phát Phương trình bên mơ tả phụ thuộc hệ số tương quan vào khoẳng cách anten bên phát BS: r 11,22 (∆d )=r s 11,22 ∆ du =0 = ∑ Theo mơ hình Suburban Macro, θn , m , AoA tính biểu thức: θ = θ n , m , AoD + δ BS +∆ n , AoD Trong :  θBS : số  δ n , AoD ~ η(0, σ2AoD )  ∆n , m , AoD : lấy giá trị bảng 4.2 72 n , m , AoD CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 5.1 Giới thiệu chung Trong chương này, tiến hành mô hệ thống thông tin di động TE 4G đơn giản, áp dụng kỹ thuật mã hóa kênh kỹ thuật mã hóa phân tập khơng gian đ trình bày Chương Chương mơ hình kênh truyền SCM Hệ thống mơ đánh giá hiệu m hóa kênh kết hợp m hóa I O xây dựng dựa thành phần đ trình bày chương trước Tiêu chí đánh giá tỉ lệ lỗi bít trường hợp kết hợp phương thức m hóa kênh m hóa I O Việc mơ nhằm mục đích đánh giá ảnh hưởng phương pháp lên chất lượng tín hiệu đầu thu Việc so sánh vậy, giúp cho ta có lựa chọn hợp lý áp dụng vào triển khai thực Để thực mô phỏng, sử dụng công cụ mô MATLAB 2011b Hệ thống mô mô tả hình sau: OFDM Random Bit Generator Modulation Spatial CRC Channel Model Encoder AWGN OFDM Demodulation Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống mô Bên phát:  Random Bit Generator: Khối tạo liệu bit ngẫu nhiên với chiều dài tương ứng xác định tham số mô data en Các bít tạo tương 73 ứng với liệu subframe (14 12 OFDM sym ol t y theo phương th c ch n khoảng ảo vệ Normal hay Extended)  CRC Encoder: Khối m hóa CRC, thực thuật tốn m hóa CRC-24A chuẩn TE, tính tốn 24 bít liệu dư thừa để nhận diện lỗi bên thu Đầu khối liệu đầu vào đ chèn thêm 24 bit CRC phía cuối Chiều dài chuỗi bit đầu (data en 24)  Turbo/Convolutional Encoder: Khối m hóa Turbo m hóa xoắn, thực m hóa dịng bit đầu vào mơ tả Chương Tỉ lệ m hóa xấp xỉ 1/3 Chiều dài chuỗi bít đầu 3(data en 28) m Turbo 3(data en 24) m xoắn  Rate atching: Khối phối hợp tốc độ TE, thực lựa chọn số bít đầu định từ dịng bít đầu vào Số lượng bít đầu tính tốn dựa theo số sóng mang (Resource Element) cấp phát TE Thuật toán Rate atching trình bày sau Chi tiết thuật tốn tham khảo phần 5.1.4 chuẩn 3GPP 36.212  odulation: Khối điều chế, thực điều chế bit đầu vào thành tín hiệu điều chế QPSK, 16-QA 64-QA ỗi cụm 2,4, bít đầu vào ánh xạ thành tín hiệu điều chế Bảng ánh xạ tín hiệu điều chế mơ tả phần 7.1 chuẩn 3GPP 36.211  Khối ayer apping: Thực ánh xạ tín hiệu điều chế lên layer Đối với hệ thống mô tại, khối ayer apping ánh xạ tín hiệu điều chế vị trí ch n lên layer tín hiệu điều chế vị trí lẻ lên layer cịn lại giống mơ tả phần 6.3.3.3 chuẩn 3GPP 36.211  Khối I O Precoding: thực thuật toán I O coding SFBC, VB AST để đưa tín hiệu từ layer lên anten tương ứng Chi tiết cách thức ánh xạ từ layer lên anten trình bày phần 6.3.4.3 chuẩn 3GPP 36.211 74  Khối Resource Element apping: thực đưa liệu sóng mang lên sóng mang tương ứng miền tần số  Khối OFD odulation: thực điều chế OFD chèn khoảng bảo vệ Cyclic Prefix vào đầu tín hiệu OFD Kênh truyền: Tín hiệu đưa từ bên phát truyền kênh truyền hình kênh truyền mơ hình SC Tín hiệu sau qua kênh truyền cộng thêm với nhiễu trắng có mật độ phổ cơng suất xác định tham số mô Bên thu:  Khối OFD Demodulation: thực giải điều chế OFD loại bỏ khoảng bảo vệ Cyclic Prefix  Khối Channel Estimation: ước lượng đáp ứng kênh truyền kênh SC  Khối I O Equalizer: thực cân kênh theo thuật toán Zero-Forcing  Khối Demodulation: khối giải điều chế tín hiệu, thực giải điều chế mềm tín hiệu thành bit liệu Thuật tốn giải điều chế mềm sử dụng Exact og ikehood Ratio ( R) Approximate R  Khối Rate Dematching: khối giải phối hợp tốc độ, tái tạo bít đầu sau m hóa từ bit nhận từ khối giải điều chế  Khối Turbo/Convolutional Decoder: thực giải m Turbo, giải m xoắn theo thuật tốn mơ tả phần Kết giải m từ khối Turbo/Convolutional Decoder bên thu so sánh với dòng bit đầu khối CRC Encoder bên phát để tính tốn tỉ lệ lỗi bít tương ứng với tham số mơ hệ thống Chi tiết tham số mơ hệ thống trình bày phần sau 75 5.2 Th m số m Bảng liệt kê tham số giá trị dải giá trị tham số mô hệ thống Bảng 5.1 Các tham số mô hệ thống Th m số m maxSimulationSf maxNumErr d_s d_u bandwidth cpType codingType modulationType dataLen nofRbUsed demodMode turboDecodingMode iterationCnt 76 5.3 Kết mơ phịng Hình 5.2 Ảnh hưởng số lần giải mã lặp đến hiệu mã Tur o Hình 5.2 cho ta kết việc tín hiệu giải mã hóa với giải mã Turbo với số lần thực giải mã lặp khác Kết rằng, với số lần giải mã lặp lớn khả sửa lỗi mã Turbo tốt, dẫn đến tỉ lệ bit lỗi BER giảm Tuy nhiên BER giảm mạnh tăng số lần lặp mã hóa từ 1-6 Nếu ta tăng số lần giải mã từ lên giá trị lớn BER giảm khơng đáng kể Hình 5.3 Ảnh hưởng m c điều chế đến tỉ lệ lỗi t 77 Hình 5.3 cho ta kết việc sử dụng kết hợp mã hóa Turbo với phương thức điều chế khác Phương thức điều chế có mức điều chế cao nhạy cảm với nhiễu, nên tỉ lệ lỗi bit cao Hình 5.4 So sánh khả sửa lỗi mã Tur o mã xoắn sử dụng mã hóa MIMO SFBC Hình 5.4 cho ta kết mô hệ thống mô tả có sử dụng kết hợp mã hóa MIMO SFBC với mã hóa kênh điều chế QAM-64 78 Hình 5.5 So sánh khả sửa lỗi mã Tur o mã xoắn sử dụng mã hóa MIMO VBLAST Hình 5.5 cho ta kết mơ hệ thống kết hợp mã hóa MIMO VBLAST với m hóa kênh điều chế QAM-64 79 Hình 5.6 So sánh kết hợp mã hóa MIMO mã hóa kênh Dựa vào kết so sánh hình trên, ta đưa nhận xét sau: - Mã Turbo có khả sửa lỗi cao m xoắn nên đạt tỉ lệ lỗi bit thấp - BER trường hợp sử dụng kết hợp mã hóa kênh với mã SFBC thấp so với mã VBLAST Do m hóa I O SFBC có độ tin cậy liệu cao - Với tỉ lệ lỗi bit, tỉ lệ công suất nhiễu yêu cầu mã Turbo thấp m chập thấp nhiều so với khơng mã hóa Ví dụ tỉ lệ lỗi bit -6 10 , m Turbo có độ lợi mã hóa so với mã xoắn khoảng dB 80 KẾT LUẬN Tóm lại, từ kết mơ công cụ lý thuyết đ ra, ta thấy mã Turbo mã có chất lượng tốt so với m đ biết từ trước tới nay, với độ phức tạp m hóa giải mã chấp nhận Kết mơ cho thấy chất lượng mã tiến gần tới giới hạn Shannon khung liệu lớn phát đi, khung liệu nhỏ chất lượng tốt so với mã hóa khác Hướng phát triển đề tài nghiên cứu đánh giá kết hợp mã hóa kênh với phương pháp m hóa I O thơng dụng LTE mã hóa ghép kênh không gian (Spatial Multiplexing) so sánh với kết đạt luận văn Đồng thời so sánh tỉ lệ lỗi bit cặp kết hợp mã hóa kênh điều chế liệu để đưa tiêu chí lựa chọn kiểu m hóa kênh điều chế TE tương ứng với dải giá trị tỉ lệ tín hiệu nhiễu 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Đức, Vũ Văn Yêm, Đào Ngọc Chiến, Nguyễn Quốc Khương, Nguyễn Trung Kiên, (2007), Bộ sách kỹ thuật thông tin số, tập 4, Thông tin vô tuyến, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [2] Erik Dahlman, Stefan Parkval, Jonhan Skold, (2011), 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband, Elsevier Ltd, USA [3] Van Duc Nguyen, Nga Nguyen, Quoc Khuong Nguyen, Bach Tran, Byeungwoo Jeon, (2014), An Investigation of the Spatial Correlation Influence on Coded MIMO-OFD system , ACM INCOM, [4] 3GPP, (2011), TS 36.212 rd Generation Partnership Project; Technical Specication Group Radio Access Network; Evolved Multiplexing and channel coding (Release 9), 3GPP Organizational [5] 3GPP, (2011), “Technical Specification Group Radio Access Network Spatial channel model for Multiple Input Multiple Output (MIMO) simulation”, 3GPP Organizational [6] Charanangton, (1999), Turorial 12: Coding and decoding with Convolutionals Codes , published online in www.complextoreal.com [7] Charan Langton, (2006, 2007), Turbo Coding and MAP decoding – Part , published online in www.complextoreal.com [8] Joannis A Xirouchakis, (2008), I Spatial Channel odel for O Simulations , published online in: http://read.pudn.com/downloads126/sourcecode/comm/535862/SCM_Simulator_M anual_v.1_Xirouchakis.pdf 82 ... MIMO mã hóa kênh .80 viii MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài uận văn ? ?Nghiên cứu thiết kế phương pháp mã hóa kênh cho mạng di động 4G? ?? đề cập đến vấn đề nghiên cứu lý thuyết kỹ thuật mã hóa kênh, đưa đặc... nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu củ luận văn Nghiên cứu lý thuyết Mã hóa kênh, ứng dụng Mã hóa kênh hệ thống thông tin di động 4G 2.2 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu ý thuyết Mã hóa kênh, ứng dụng Mã. .. tiết mã hóa kênh ứng dụng mã hóa kênh kết hợp phương pháp m hóa khơng gian thời gian nhằm nâng cao chất lượng kênh truyền mạng di động 4G Mục đích nghiên cứu củ luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên