TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO MÔN HỌC THÔNG TIN DI ĐỘNG Đề tài ĐIỀU CHẾ, MÃ HÓA, GIẢI MÃ LDPC CHO HỆ THỐNG 5G Nhóm sinh viên thực hiện Đỗ Duy Hưng 20172595 Vương Kiều.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO MÔN HỌC THÔNG TIN DI ĐỘNG Đề tài: ĐIỀU CHẾ, MÃ HÓA, GIẢI MÃ LDPC CHO HỆ THỐNG 5G Nhóm sinh viên thực hiện: Đỗ Duy Hưng - 20172595 Vương Kiều Oanh - 20172742 Lê Thị Liên - 20172648 Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Văn Đức Hà Nội, 12-2021 LỜI NÓI ĐẦU Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (mã LDPC) mã hóa kênh cho phép sửa lỗi đường truyền Chúng mô tả lần vào năm 1960 Gallager luận án ông Không giống nhiều loại mã khác, mã LDPC trang bị thuật tốn mã hóa giải mã nhanh (theo xác suất) Ý tưởng mã LDPC, từ phương pháp điều chế, mã hóa giải mã mô tả báo cáo MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT i DANH MỤC HÌNH VẼ ii DANH MỤC BẢNG BIỂU iii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LDPC 1.1 Tổng quan 1.1.1 Định nghĩa 1.1.2 Lịch sử 1.1.3 Đặc điểm 1.1.4 Các thành phần 1.1.5 Đồ thị Tanner LDPC 5G 1.2.1 Định nghĩa mạng 5G 1.2.2 Một số ứng dụng 5G 1.2.3 Yêu cầu 5G 1.2.4 Mã LDPC 5G 1.2 CHƯƠNG MÃ HÓA LDPC 2.1 Đầu vào 2.2 Yêu cầu cần thực 2.3 Giải pháp 2.4 Thực mã hóa MATLAB CHƯƠNG THUẬT TOÁN 3.1 Lựa chọn phương pháp 3.1.1 Hard decision 3.1.2 Soft decision 3.2 Thuật toán SPA (Sum-Product Algorithm) KẾT LUẬN 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO 11 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT LDPC SPA Low Density Parity Check Sum Product Algorithm i DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Đồ thị lưỡng phân Hình 1.2 Đồ thị Tanner Hình 1.3 LDPC 5G ii DANH MỤC BẢNG BIỂU iii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LDPC Phần đưa lý thuyết mã LDPC, qua ứng dụng vào hệ thống mạng di động 5G 1.1 1.1.1 Tổng quan Định nghĩa Mã LDPC (Low-density parity check) loại mã sửa lỗi khối tuyến tính, xác định ma trận kiểm tra chẵn lẻ thưa thớt sử dụng đồ thị lưỡng phân (Đồ thị lưỡng phân đồ thị đặc biệt, tập đỉnh chia thành hai tập khơng giao thỏa mãn điều kiện khơng có cạnh nối hai đỉnh thuộc tập.) Hình 1.1 Đồ thị lưỡng phân 1.1.2 Lịch sử Được phát Gallager vào năm 1962, mã LDPC gọi mã Gallager Tuy nhiên, ngày trước đó, người khơng ý nhiều đến chúng độ phức tạp tính tốn cao chúng Với việc nâng cấp khả tính tốn máy tính phát triển lý thuyết có liên quan thuật toán truyền bá niềm tin mã Turbo, mã LDPC lần lại quan tâm giới học thuật 1.1.3 Đặc điểm Mã LDPC cho hiệu suất tốt so với mã Turbo chiều dài khối lớn, đồng thời có tính linh hoạt tuyệt vời, mơ tả đơn giản kết kiểm chứng lý thuyết Ngoài ra, độ phức tạp giải m cũngã thấp so với mã Turbo, việc thuận lợi cho việc triển khai phần cứng; thông lượng cao, giải mã tốc độ cao 1.1.4 Các thành phần Mã LDPC gồm thành phần (n, wc , wr ), đó: n: độ dài từ mã wc : trọng lượng cột wr : trọng lượng hàng Đối với mã LDPC thông thường, wc wr bất biến tất cột hàng, mã không đều, wc wr khác cột hàng khác Tất mã LDPC, cho dù thông thường hay không, phải đáp ứng:HT x = 0, x từ mã H ma trận kiểm tra chẵn lẻ thưa thớt (tức hầu hết phần tử phần tử 0) Chính thưa thớt H đảm bảo độ phức tạp tính tốn thấp 1.1.5 Đồ thị Tanner Đồ thị Tanner, đồ thị lưỡng phân, sử dụng để biểu diễn mã LDPC Các nút biểu đồ Tanner chia thành hai loại: nút biến, nút đại diện cho cột ma trận kiểm tra chẵn lẻ nút kiểm tra, nút đại diện cho hàng ma trận kiểm tra chẵn lẻ Nếu từ mã n-bit chứa k bit nguồn, trường hợp mã LDPC đơn giản đề cập trước đó, có n nút biến (n - k) nút kiểm tra đồ thị Tanner Một cạnh xuất nút biến j nút kiểm tra i phần tử tương ứng ma trận kiểm tra chẵn lẻ H, hi j , khác khơng Rõ ràng có nhiều cạnh nút biến nút kiểm tra Khi cạnh tồn tại, nút biến nút kiểm tra đề cập liền kề với Hình 1.2 Đồ thị Tanner 1.2 1.2.1 LDPC 5G Định nghĩa mạng 5G 5G viết tắt 5th Generation, hay gọi hệ thứ mạng di động với nhiều cải tiến so với 4G 5G thiết kế để tăng tốc độ khả phản hồi nhanh chóng mạng khơng dây 5G đời để kế thừa 4G, nhờ mà tốc độ tải xuống nhanh hơn, truyền phát liệu mượt mà nhiều 5G không tốc độ mà mở ứng dụng hoàn toàn gây cách mạng lớn năm 1.2.2 Một số ứng dụng 5G Sự đời 5G hưởng lợi từ nhiều tăng trường có quy mơ lớn Internet di động vạn vật kết nối (Iot) ứng dụng 5G chủ yếu nằm phát triển mạng Gần đây, internet di động với tư cách nhà cung cấp dịch vụ doanh nghiệp truyền thơng liệu di động, thúc đẩy phát triển lĩnh vực dịch vụ thông tin khác Nhà cung cấp dịch vụ tận dụng tối đa lợi tài nguyên dịch vụ họ phát triển nhiều ứng dụng Đến năm 2020, chức tiện lợi thực hóa thơng qua internet di động nhu cầu thực tế ảo tăng cường trải nghiệm trò chơi Với phát triền internet di động, tốc độ truyền thông tin tăng lên hàng nghìn lần Iot minh họa lý tưởng ứng dụng đầy đủ công nghệ hệ Phạm vi ứng dụng Iot rộng như: bảo vệ môi trường, giao thông thông minh, giám sát mơi trường, kiểm sốt ánh sáng, chăm sóc sức khỏe, truy xuất nguồn gốc thực phẩm, Có thể nói rằng, Iot “Sức mạnh sản xuất quan trọng” thúc đẩy tiến xã hội Do đó, vấn đề mấu chốt phát triển Iot, phát triển Iot phụ thuộc vào phát triển cơng nghệ truyền thơng Ta hình dung thấy, Iot có mặt nơi sống, đồng nghĩa với “mọi vật kết nối” việc truyền thông tin thường trực thứ thay đổi không mang lại sức sống mới, hội mà đặt thách thức lớn truyền thông di động 1.2.3 Yêu cầu 5G Các kịch ứng dụng 5G liên quan đến khía cạnh sống thường ngày, cơng việc, giải trí giao thông người giao tiếp vô tuyến hiển thị đặc điểm kịch Chẳng hạn mật độ thiết bị di động dày đặc khu dân cư, sân vận động chợ, truyền thông vơ tuyến có đặc điểm mật độ lưu lượng giao thông cao số lượng kết nối lớn, giao thơng tàu điện ngầm đường sắt cao tốc, tính di động cao làm cho vai trị truyền thơng khơng dây thực Hiện tại, hệ thống thông tin di động 4G không đáp ứng yêu cầu số tình mật độ lưu lượng truy cập cao, số lượng kết nối lớn tính di động cao Trong trường hợp đông đúc sân vận động, mật độ lưu lượng giao thông cực lớn mật độ kết nối siêu cao ta cần tốc độ truyền truyền thông vô tuyến cao cáp quang để truyền ảnh, truyền video, phát sóng trực tiếp dịch vụ khác Trong kịch di động tốc độ cao mật độ lưu lượng kết nối giao thông tương đối thấp so với sân vận động Vì tốc độ HSR thường 200km/h nên yêu cầu cao truyền thông vô tuyến 1.2.4 Mã LDPC 5G Ta xét ví dụ LDPC 5G: Hình 1.3 LDPC 5G Mỗi phân tử ma trận B phát triển thành ma trận 5x5 T quy ước -1 ma trận 5x5 bao gồm tất số 0, ma trận đơn vị có đường chéo tất số Số ma trận dịch phải đơn vị 0, số ma trận dịch phải đơn vị 0, số ma trận dịch phải đơn vị 0, số ma trận dịch phải đơn vị Kết thể hình vẽ Như vậy, sau mở rộng ma trận ta ma trận 30x15, thỏa mãn đồ thị Tanner CHƯƠNG MÃ HÓA LDPC Phần giới thiệu cách mã hóa mã LDPC 2.1 Đầu vào Ta có liệu cho trước sau: – Ma trận sở (base matrix): B = [bi, j ]mxn – Bản tin (message): msg = [m1 m2 mn−m ] – Ma trận kiểm tra chẵn (parity check matrix) H mở rộng từ B với hệ số mở rộng (expansion factor) z Trong đó: – Hệ số mở rộng z thỏa mãn: z = a × j (với a = 2, 3, 5, 7, 9, 11, ; j = 0, 1, 2, 3, , Ja ; z < 384) – Ma trận sở B có dạng: BG146×68 BG242×52 Các phần tử B có giá trị thuộc tập [-1, 0, 1, 2, , z - 1] Ma trận sở B có cấu trúc: A E O B C I Với BG1: A4×22 E4×4 O4×42 B42×22 C42×4 I42×42 Với BG2: A4×10 E4×4 O4×38 B38×10 C38×4 I38×38 Trong đó: – O gồm tồn phần tử -1 – I có đường chéo gồm tồn phần tử 0, phần tử lại -1 – E: thường gồm đường chéo song song gồm toàn phần tử -1 2.2 Yêu cầu cần thực Tìm từ mã (codeword) c = [msg|P] thỏa mãn: HcT = Trong đó: msg = [m1 , m2 , mq ] biết P = [p1 , p2 , pm ] chưa biết 2.3 Giải pháp Ta quy ước: – mi , p j vector × z, i = 1, 2, , m - n; j = 1, 2, , m – Xs,k ma trận kích thước z × z mở rộng từ bs,k ∈ B, s, k = 1, 2, , n Bài tốn cần giải tìm p j thỏa mãn: HcT = mT1 X1,n T mn−m pT = [0] Xm,n pTn X1,1 X1,m−n X1,n−m+1 ⇔ Xm,1 Xm,m−n Xm,n−m+1 Ta có hệ phương trình: X1,1 mT1 X1,2 mT2 .X1,n−m mTm−n X1,n−m+1 pT1 .X1,n pTm = Xn,1 mT1 Xn,2 mT2 .Xn,n−m mTm−n Xn,n−m+1 pT1 .Xn,n pTm = Do B có cấu trúc: A E O nên: B C I – O4×(m−4) gồm toàn phần tử -1 ⇔ Xi, j = [0], i = 1, 4, j = n − m + 5, n – I có đường chéo gồm tồn phần tử 0, phần tử lại -1 – E4×4 : gồm đường chéo song song gồm tồn phần tử Ta tách toán thành tốn nhỏ để tính tốn: – Bài tốn 1: Tìm ẩn số p1 , p2 , p3 , p4 X1,1 mT1 X1,2 mT2 .X1,n−m mTm−n I1 pT1 .I.pT2 = (1) X2,1 mT1 X2,2 mT2 .X2,n−m mTm−n I2 pT1 .I.pT3 = (2) X3,1 mT1 X3,2 mT2 .X3,n−m mTm−n I1 pT3 .I.pT4 = (3) X4,1 mT1 X4,2 mT2 .X4,n−m mTm−n I1 pT1 .I.pT4 = (4) Ta cộng phương trình đưa hết thành phần không chứa pT1 sang vế phải: I2 pT1 = X1,1 mT1 X1,2 mT2 X1,n−m mTm−n X2,1 mT2 X2,2 mT2 X2,n−m mTm−n X3,1 mT2 X3,2 mT2 X3,n−m mTm−n X4,1 mT2 X4,2 mT2 X4,n−m mTm−n Chú ý, Xs,k ma trận ma trận đơn vị dịch phải b lần, nên phép nhân Xs,k mTi cho kết vector vector mi dịch phải b lần Do việc tính tốn vế phải biểu thức đơn giản, cho kết vector temp kích thước × z – Bài tốn 2: Tìm ẩn số p5 , p6 , , pm Cách tìm tương tự tốn trình bày bên 2.4 Thực mã hóa MATLAB Q trình mã hóa MATLAB gồm file script, folder chứa file txt: – mul_sh.m chứa hàm mul_sh(x, k) trả vector dịch phải k lần vector x – ld pc_encode.m chứa hàm ld pc_encode(B, z, msg) trả từ mã c sau mã hóa – check_cword.m chứa hàm check_cword(B, z, c) kiểm tra xem H.cT có không, trả 0, sai trả – folder base_matrices chứa file NR_g_x_z.txt chứa liệu cho ma trận B, đó: g = 1,2 tương ứng loại BG1 BG2; z hệ số mở rộng; x tương ứng với giá trị a bảng: x a 11 13 15 CHƯƠNG GIẢI MÃ LDPC Chương đề xuất phương pháp giải mã LDPC 3.1 Lựa chọn phương pháp Trước liệu truyền đi, người gửi thêm bit dư thừa bit chẵn lẻ vào thông điệp tạo thành từ mã Các từ mã sau truyền qua mạng máy tính Người nhận kiểm tra từ mã đến thực trình giải mã sửa lỗi để lấy liệu gốc Nếu khơng có lỗi, tức từ mã tìm thấy khớp xác, dễ dàng giải mã liệu cách loại bỏ bit chẵn lẻ Tuy nhiên, khơng tìm thấy kết phù hợp, chế giải mã phức tạp áp dụng Có kỹ thuật giải mã thông dụng: Hard decision Soft decision 3.1.1 Hard decision Kỹ thuật lấy dòng bit khối bit từ ngưỡng(threshold) máy thu giải mã bit cách coi chắn Nó lấy mẫu xung nhận so sánh điện áp chúng với giá trị ngưỡng Nếu điện áp lớn giá trị ngưỡng, giải mã khơng giải mã Việc giải mã thực điện áp gần với ngưỡng Bộ giải mã Hard-decision so sánh khoảng cách Hamming liệu với tập hợp từ mã hợp lệ tìm khoảng cách Hamming tối thiểu, qua giải mã 3.1.2 Soft decision Có nhiều thuật tốn Soft-decision khác Bộ giải mã Soft-decision tính tốn khoảng cách Euclid điện áp nhận điện áp từ mã nhận Sau đó, tìm khoảng cách Euclide tối thiểu chọn từ mã tương ứng Sử dụng khoảng cách Euclid thay khoảng cách Hamming điểm khác biệt Soft-decision với Hard-decision, giúp q trình giải mã xác 3.2 Thuật toán SPA (Sum-Product Algorithm) Thuật toán SPA thuật toán Soft-decision Message-Passing [3] Đầu vào nút biến Log Likelihood Ratio (LLR) Các LLR chuyển đến nút biến khác cập nhật hoạt động nút biến tại, biểu thị phương trình: Vi = LLRn + ∑ C j j̸=1 Trong đó, n = 1, 2, số nút biến i, j = 1, 2, bậc nút biến Tương tự, hoạt động nút Kiểm tra thể phương trình: Ck = tanh−1 ( ∑ tanh(Vl /2) k̸=l Trong đó, l, k = 1, 2, bậc nút kiểm tra Thuật tốn SPA có độ phức tạp tính tốn cao Tuy nhiên, đạt hiệu suất giải mã tốt KẾT LUẬN Trong thông tin vô tuyến, để nâng cao chất lượng tín hiệu, giảm ảnh hưởng can nhiễu, cần thiết phải sử dụng đến mã sửa sai (mã kênh) Mã LDPC lớp mã kênh có nhiều ưu điểm khả sửa lỗi đặc biệt với từ mã dài Đề tài thực ứng dụng mã LDPC 5G thông qua việc mã hóa giải mã Q trình mã hóa thành cơng, nhiên q trình giải mã chưa thể đạt mong muốn 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] E Sharon, S Litsyn and J Goldberger, "An efficient message-passing schedule for LDPC decoding," 2004 23rd IEEE Convention of Electrical and Electronics Engineers in Israel, 2004, pp 223-226, doi: 10.1109/EEEI.2004.1361130 [2] R.G Gallager Low-Density Parity-Check Codes M.I.T Press, Cambridge, MA, 1963 [3] P Dhanorkar and M Kalbande, "Design of LDPC decoder using message passing algorithm," 2017 International Conference on Communication and Signal Processing (ICCSP), 2017, pp 1923-1926, doi: 10.1109/ICCSP.2017.8286733 11 ... LDPC 5G ii DANH MỤC BẢNG BIỂU iii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LDPC Phần đưa lý thuyết mã LDPC, qua ứng dụng vào hệ thống mạng di động 5G 1.1 1.1.1 Tổng quan Định nghĩa Mã LDPC. .. giống nhiều loại mã khác, mã LDPC trang bị thuật tốn mã hóa giải mã nhanh (theo xác suất) Ý tưởng mã LDPC, từ phương pháp điều chế, mã hóa giải mã mô tả báo cáo MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ... động cao làm cho vai trị truyền thơng khơng dây thực Hiện tại, hệ thống thông tin di động 4G không đáp ứng yêu cầu số tình mật độ lưu lượng truy cập cao, số lượng kết nối lớn tính di động cao Trong