Bài tập lớn thông tin di động PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA – GIẢI MÃ HÓA MÃ CHẬP TRONG 4G

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G - 4th Generation) cần đạt được cả 3 tiêu chí chính là băng thông rộng, độ tin cậy cao và độ trễ thấp. Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC - Low Density Parity Check) đã được chấp nhận cho hệ thống thông tin di động 4G vì mã LDPC gần đạt được dung lượng Shannon. Trong báo cáo này, chúng em mô phỏng bộ mã LDPC bằng Matlab trên kênh truyền nhiễu trắng(AWGN) với phương pháp điều chế BPSK để chứng minh tính hiệu quả của bộ mã này trong cho hệ thống thông tin di động 4G.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG Đề tài: PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA – GIẢI MÃ HÓA MÃ CHẬP TRONG 4G Sinh viên thực hiện: PHẠM TÚ TÀI– 20172798 NGUYỄN LONG NHẬT - 20172734 TRỊNH PHƯƠNG DUY– 20172512 Giảng viên hướng dẫn: PGS TS NGUYỄN VĂN ĐỨC LỜI NĨI ĐẦU Trong thời đại thơng tin số u cầu thơng tin truyền nhanh chóng xác mã chập ứng dụng để mã hóa thơng tin đáp ứng u Báo cáo nhóm chúng em giới thiệu mã chập, cách tạo mã, phương pháp biểu diễn mã chập phạm vi ứng dụng 4G Do kiến thức chúng em hạn chế thời gian làm việc nhóm khơng nhiều nên phần chuẩn bị nhóm khơng thể tránh khỏi sai sót nên chúng em mong thầy bạn có góp ý để chúng em hồn thiện báo cáo cách tốt Nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy! MỤC LỤC CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÃ CHẬP 1.1 Lịch sử hình thành mã chập .2 1.2 Cách tạo mã số thông số đặc trưng CHƯƠNG BIỂU DIỄN MÃ CHẬP .4 2.1 Biểu diễn theo ghi dịch .4 2.2 Biểu diễn theo sơ đồ lưới .4 2.3 Biểu diễn theo sơ đồ CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI MÃ TÍCH CHẬP 3.1 Giải mã theo chuỗi (Sequential Decoding) 3.2 Giới thiệu phương pháp giải mã Viterbi .8 3.2.1 Giải mã Viterbi định cứng .11 3.2.2 Giải mã Viterbi định mềm .14 3.2.3 Phương pháp giải mã Viterbi: 16 CHƯƠNG MÔ PHỎNG MÃ CHẬP TRONG 4G 20 1|Page CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÃ CHẬP 1.1 Lịch sử hình thành mã chập Mã chập đươc Elias đề cập đến năm 1955 Sau Wozencarft đưa giải thuật giãi mã tương đối cho mã chập từ nghiên cứu mã chập ngày hồn thiện Năm 1965 Massey đưa cách giãi mã hiệu dễ thực thi hơn, gọi giải mã ngưỡng Nhờ tiến mã chập ứng dụng để truyền số qua kênh thông tin Năm 1967, Viterbi đưa giải thuật với phiên sau làm cho mã chập ứng dụng rộng rãi viễn thông Mã chập (Convolution Codes) kỹ thuật mã hóa sửa sai (FEC) Convolution Codes thuộc họ mã lưới (mã hóa theo Trellis) xây dựng dựa đa thức sinh sơ đồ chuyển trạng thái (trellis mã) đặc trưng Quá trình giải mã mã chập phải dựa vào trellis mã thông qua giải thuật khác nhau, tiếng giải thuật Viterbi Mã chập mã tuyến tính có ma trận sinh có cấu trúc cho phép mã hóa xem phép lọc lấy tổng chập Mã chập sử dụng rộng rãi thực tế Bởi mã hóa xem tập hợp lọc số tuyến tính với dãy mã đầu lọc ghép xen kẽ Các mã chập mã xây dựng thuật toán giải mã định phần mềm hiệu - Ký hiệu mã chập (n,k,L): k đầu vào n đầu L phần tử nhớ ghi dịch 2|Page Hình 1.1 Sự bố trí lập mã/giãi mã chập điều chế/giải điều chế tuyến thông tin 1.2 Cách tạo mã số thông số đặc trưng  Cách tạo mã - Thực mã hóa liệu cách liên tục khơng chia thành khối mã khối tuyến tính - Giá trị bit đầu vào kết hợp bit đầu vào bit đầu vào trước lưu ghi hệ có nhớ Sơ đồ mã chập: 3|Page Xj =mjg0 mj-1g1 …… mj-LgL Trong gi đa thức sinh - xj phụ thuộc vào giá trị đầu vào m j L bit trước lưu ghi - bit tin tức ảnh hưởng đến (L+1) bit đầu dịch ghi  Các thông số đặc trưng (n, k, K) - n số bít đầu lập mã cho k bit đồng thời vào lập mã - k số bít dịch vào lập mã thời điểm - K độ dài hạn chế thể số lần dịch cực đại nhóm k tin vào mà nhóm k bit gây ảnh hưởng tới đầu lập mã - r = k/n tỷ lệ mã (k từ nút a T = cộng thêm độ đo nhánh vào độ đo đường dẫn hai đường α1 α2 Điều có nghĩa độ đo đường dẫn α2 lớn T = giữ mức lớn với T > Bộ giải mã Viterbi chọn đường dẫn có độ đo nhỏ (chính dãy trạng thái toàn 0) loại bỏ đường α2 Đường α1 xem đường sống sót Thủ tục áp dụng ởcác nút khác với T ≥ n − k = Cần lưu ý đường 10 | P a g e a→g→f →c ,a→a→g→f , … khơng thể sống sót độ đo đường dẫn chúng lớn chúng bị loại bỏ khỏi nhớ giải mã Như có = đường sống sót từ T = n − k đến T = k Sau thời điểm T = số đường sống sót giảm nửa sau thời điểm Đôi đường nhập vào lại độ đo đường dẫn Ở T = đường a→a→a→g→d→b , a→g→f →e→c→b nhập lại nút b Cả hai đường có độ đo đường dẫn Thông thường giải mã Viterbi chọn ngẫu nhiên đường sơng sót loại bỏ đường khác Tuy nhiên tình trạng xảy trongmột thuật toán Viterbi định mềm (hay thuật toán Viterbi đầu mềm SOVA) hay sử dụng thực tế 3.2.1 Giải mã Viterbi định cứng Khi giải mã định cứng, điều chế cho định cứng (1 0) tạo lại dãy phát Trong trường hợp khoảng cách Hamming bít nhận bít phát đánh giá lưới dùng làm độ đo mức tin cậy Để minh họa cho trình giải mã ta sử dụng mã (7, 4, 3) với dãy bít phát 0000000 Sai số kênh nằm bít dãy nhận đầu giải mã điều chế 1000000 Bộ giải mã so sánh bít giải điều chế với hai bít giải mã Khi bít giải điều chế bít giải mã khoảng cách Hamming chúng Ngược lại hai bít khác giá trị khoảng cách Hamming cộng thêm vào độ đo đường dẫn 11 | P a g e Vì ta ngang qua lưới nên độ đo nhánh cộng lại T = 7, đường dẫn có trọng số Hamming nhỏ xem đường sống sót Bởi dãy giải mã xâu Hình 3.2 minh họa việc lựa chọn đường sống sót (được đánh giá đường đứt nét đậm) giải mã Viterbi Đường có độ đo đường dẫn nhỏ giải mã dãy thu Cần ý độ đo đường dẫn đường sống sót tương đương với số sai dãy nhận giải mã có khả sửa sai Tuy nhiên số kênh vượt khả sửa sai mã sảy giải mã sai Giả sử kênh có hai sai vị trí thứ vị trí thứ Giải mã sai xảy nhánh ban đầu (được ghi đường đậm nét hình 3.2 dãy giải mã 1011000 12 | P a g e Hình 3.2 Giải mã Viterbi định cứng cho mã(7,4,3) 13 | P a g e Hình 3.3 Giả mã sai dùng giải mã Viterbi định cứng 3.2.2 Giải mã Viterbi định mềm Theo quan điểm giải mã Viterbi định mềm, tín hiệu nhận đầu giải mã điều chế lấy mẫu Sau giá trị mẫu đưa trực tiếp tới đầu vào giải mã Viterbi Giả sử ta sử dụng điều chế dịch pha nhị phân (BPSK) đầu phát, mức logic gửi − 1, mức logic gửi +1, Nếu ta phát dãy tồn dãy phát tương ứng −1−1−1−1−1−1−1 Ở máy thu, đầu mềm giải mã điều chế + 0,8 , −1,2 , + 0,6 , − 2,2 , − 0,4 , −1,3 , − 0,9 (tương ứng với dãy 1010000 ta sử dụng giải mã định cứng) Các đầu mềm giải mã điều chế dùng độ đo mức độ tin cậy (xem hình 3.4) 14 | P a g e Hình 3.4 Giải mã Viterbi định mềm cho mã(7,4,3) Tín hiệu mềm giải điều chế + 0,8 ngụ ý tín hiệu phát +1 độ đo mức tin cậy định 0,8 Xem xét đường dẫn a→g tương ứng với logic 1, độ đo nhánh đường dẫn + 0,8 Tuy nhiên đường dẫn a→a khơng ăn khớp với tín hiệu nhận độ đo nhánh đường dẫn − 0,8 (tích lũy độ n đường dẫn âm lượng phạt) sai lạc Ở thời điểm thứ hai tín hiệu nhận −1,2 tạo nên độ đo đường dẫn + 0,4 , − 2,0 , + 0,2 −0,4 tương ứng với đường dẫn a→a→a , a →a→g , a →g→d a →g→f Ta ký hiệu α1 α2 đường a →a→a→a→a a →g→d→b→a Các độ đo đường dẫn tổng cộng tích lũy hai đường dẫn tương ứng + 0,2 15 | P a g e + 0,4 Bộ giải mã Viterbi chọn đường dẫn có độ đo đường dẫn lớn mức tin cậy tích lũy lớn Bởi đường α1 chọn (chứ đường α2 chọn ví dụ giải mã định cứng trên) Điều chứng tỏ giải mã định mềm có hiệu cao giải mã định cứng 3.2.3 Phương pháp giải mã Viterbi:  Xác định liệu dựa xác định đường mã tối ưu  Xác định đường mã chọn đưởng mã có số đo nhỏ  Chỉ số đo đường mã tổng số đo nhánh thuộc đường mã  Chỉ số đo nhánh khoảng cách Hamming đầu sơ đồ lưới mã với liệu thu tương ứng  Các bước giải mã chập: Bước 1: Xây dựng lưới mã theo thời gian sau: 16 | P a g e Bước 2: Bắt đầu từ trạng thái a (có giá trị chạy (running metric) 0) tính số đo (metric) nhánh dựa vào liệu thu sơ đồ lưới mã Bước 3: Tính số đo nhánh dựa vào khoảng cách Hamming Bước 4: Tính giá trị chạy node cách cộng giá trị chạy node trước với số đo nhánh chuyển trạng thái hai node này: Bước 5: Lặp lại q trình tính tốn cho tất chuyển trạng thái có node: 17 | P a g e Bước 6: Lặp lại q trình tính tốn phần trước Bước 7: Khi có nhánh đến node, nhánh tạo giá trị chạy node lớn nhánh bị loại bỏ: Bước 8: Q trình lặp lại hết liệu Bước 9: Từ trạng thái cuối (trạng thái a), ngược lại (từ phải sang trái) để xác định đường mã tồn => đường mã tối ưu Bước 10: Từ đường mã tối ưu, ta xác định liệu thu  Theo bước ví dụ thu sơ đồ đầy đủ sau: 18 | P a g e Chuỗi liệu thu là: 110111001000 19 | P a g e CHƯƠNG MÔ PHỎNG MÃ CHẬP TRONG 4G  Dùng phương pháp giải thuật Viterbi  Code Matlab:  Kết mơ phỏng: Tín hiệu đầu vào qua bước mã hóa giải mã hóa 20 | P a g e 21 | P a g e KẾT LUẬN Qua đề tài này, báo cáo nhóm tìm hiểu sơ lược mật mã, lịch sử hình thành Mã chập Thơng qua tìm hiểu phương pháp biểu diễn mã chập, phương pháp giải mã chập mơ phương pháp mã hóa giải mã hóa giải thuật Viterbi Cơng cụ mà nhóm dùng để mơ Code Matlab 22 | P a g e TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Matlab Và Ứng Dụng Trong Viễn Thông - TS Phạm Hồng Liên Đặng Ngọc Khoa - Trần Thanh Phương [2] Matlab Code for LTE Convolutional Code and Viterbi Decoder - Aly A.E Elwazan Electrical Engineering Department Benha Faculty of Engineering, Egypt [3] Digital Communications by John Proakis [4] Giáo trình Truyền dẫn số 23 | P a g e ... CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI MÃ TÍCH CHẬP 3.1 Giải mã theo chuỗi (Sequential Decoding) Đây phương pháp giải mã chập Phương pháp đề xuất lần đầu Wozencraft tối ưu Fano Phương pháp giải mã theo chuỗi... (trellis mã) đặc trưng Quá trình giải mã mã chập phải dựa vào trellis mã thông qua giải thuật khác nhau, tiếng giải thuật Viterbi Mã chập mã tuyến tính có ma trận sinh có cấu trúc cho phép mã hóa. .. tổng chập Mã chập sử dụng rộng rãi thực tế Bởi mã hóa xem tập hợp lọc số tuyến tính với dãy mã đầu lọc ghép xen kẽ Các mã chập mã xây dựng thuật toán giải mã định phần mềm hiệu - Ký hiệu mã chập