Nghiên cứu thiết kế các khối mã hóa và giải mã hóa turbo code theo chuẩn LTE 4g

LUẬN VĂN CAO HỌC MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG TIN SỐ VÀ CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ LTE 4G 1.1 Cấu trúc hệ thống tin số 1.2 Giới hạn Shannon .10 1.3 Các đặc điểm công nghệ LTE 12 1.4 Các thách thức hệ thống thông tin băng rộng 4G LTE .13 1.5 Một số công nghệ then chốt sử dụng hệ thống thông tin di động băng rộng 4G LTE 14 1.6 Kết luận .14 Chƣơng 2: 15 MÃ TURBO VÀ GIẢI MÃ LẬP 15 2.1 Cấu trúc mã hóa turbo 15 2.2 Hoán vị .17 2.2.1 Hoán vị mã Turbo 18 2.3 Một số ứng dụng mã hóa turbo 19 2.3.1 Mã turbo cho thông tin vũ trụ 19 2.3.2 Mã turbo cho CDMA2000 20 2.3.3 Mã turbo cho thông tin di động hệ 21 2.4 Nguyên lý giải mã turbo 22 2.4.1 Mô hình hệ thống 22 2.4.2 Tiêu chuẩn đánh giá 24 2.4.3 Thuật toán Viterbi 25 2.4.4 Thuật toán Viterbi đầu mềm (SOVA) .27 2.4.5 Thuật toán MAP 29 2.4.6 Thuật toán MAX-Log-MAP 35 2.4.7 Thuật toán Log-MAP 36 2.5 Giải mã lặp .37 2.5.1 Giải mã turbo tối ưu 37 2.5.2 Công cụ giải mã turbo lặp .38 2.5.2.1 Giải mã turbo lặp dựa thuật toán MAP 38 2.5.2.2 Giải mã SOVA lặp mã turbo 42 2.6 So sánh thuật toán giải mã lặp SOVA MAP .47 2.7 Giải mã MAP lặp mã chập liên kết nối tiếp .48 2.8 Giải mã SOVA lặp mã chập liên kết nối tiếp 49 Bộ mã hóa giải mã BICM 50 Sự suy giảm chất lượng BICM kênh Gauss .51 BICM-ID 51 Bảng 2.1: Các Puncture tách dòng bit 52 Bảng 2.2: Chuỗi zero chèn 52 Gán nhãn tín hiệu 53 Bảng 4.3: Luật ánh xạ chòm 54 2.9 Kết luận: 56 LUẬN VĂN CAO HỌC Chƣơng 3: 57 MÔ PHỎNG MÃ HÓA TURBOCODE 57 3.1 Khảo sát chất lượng hệ thống LTE 4G 57 3.1.1 Tham số mô toán đầu vào 57 3.1.2 Kết mô 57 3.2 phân tích kết mô .60 3.3 Kết luận: 60 KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 PHỤ LỤC .63 PHỤ LỤC: LẬP TRÌNH CODE_MATLAB 65 LUẬN VĂN CAO HỌC DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Mô hình tổng quát hệ thống thông tin số Hình 1.2: Sơ đồ giải điều chế kết hợp Hình 1.3: Sơ đồ phân loại mã kênh Hình 1.4: Hiệu suất sử dụng phổ sơ đồ điều chế mã hoá khác tính toán cho trường hợp BER 10-5 kênh AWGN 11 Hình 2.1: Bộ mã hóa turbo 15 Hình 2.2: Bộ mã hóa turbo tốc độ 1/3 16 Hình 2.3: Bộ hoán vị 17 Hình 2.4: Bộ ánh xạ hoán vị 18 Hình 2.5: Sơ đồ khối mã hóa turbo CCSDS 19 Hình 2.6: Bộ mã hóa turbo liên kết ngược dùng cho WCDMA2000 20 Hình 2.7: Bộ mã hóa turbo dùng cho thông tin 3GPP 21 Hình 2.8: Cấu trúc mã chập liên kết nối tiếp dùng cho thông tin 3GPP 22 Hình 2.9: Mô hình hệ thống 22 Hình 2.10: Bộ mã hóa RSC tốc độ 1/2 29 Hình 2.11: Biểu đồ trạng thái truyền mã RSC(2,1,2) 30 Hình 2.12: Sơ đồ lưới cho RSC(2,1,2) 31 Hình 2.13: Bộ mã hóa turbo 37 Hình 2.14: Một giải turbo lặp sở thuật toán MAP 39 Hình 2.15: Một giải turbo lặp dựa thuật toán SOVA 43 Hình 2.16: Hiệu suất BER mã turbo tốc độ mã 1/3, 16 trạng thái với thuật toán MAP, log-MAP, SOVA kênh AWGN, kích thước hoán vị 4096 bit, số lần lặp 18 lần 47 Hình 2.17: Bộ giải mã lặp MAP cho mã chập liên kết nối tiếp 48 Hình 2.18: Bộ giải mã lặp SOVA mã liên kết nối tiếp 49 Hình 2.19: Sơ đồ mã hóa giải mã BICM 51 Hình 2.20: Quá trình mã hóa kênh 52 Hình 2.21: Bộ hoán vị inline 52 Hình 2.22: Giảng đồ chòm điều chế 16-QAM theo mã Gray 53 Hình 2.23: Sự sai khác vị trí bit điểm chòm 54 Hình 2.24: Các cặp bit cách bit thứ (d0) bit thứ hai (d1) 55 Hình 2.25: Các cặp bit cách bit thứ (d0) bit thứ tư (d3) 55 Hình 2.26: Giảng đồ chòm điều chế 16-QAM theo mã antiGray 56 Hình 3.1: Không có inline, tốc độ mã R=1/2, điều chế 16QAM 58 Hình 3.2: Có inline, tốc độ mã R=1/2, điều chế 16QAM 58 Hình 3.3: Không có inline, tốc độ mã R=3/4, điều chế 16QAM 59 Hình 3.4: Có inline, tốc độ mã R=3/4, điều chế 16QAM 59 Phụ lục 1: Khối mô turbo không sử dụng inline 63 Phụ lục 2: Khối mô turbo sử dụng inline 64 LUẬN VĂN CAO HỌC Các thuật ngữ viết tắt 3GPP 3rd Generation Partnership Project APP A Posteriori Probability ARQ Automatic Repeat reQuest AWGN Additive White Gauss Noise AES-CCM Advanced Encryption Standard BER Bit Error Rate BPSK Binary Phase Shift Keying BSC Binary Symmetric Channel BTC Block Turbo Code BICM-ID Bit Interleaved Coded Modulation with Iterative Decoding bps Bits per second CCSDS Consultative Committee for Space Data System CDMA Code Division Multiple Access CRC Cyclic Redundancy Check CSI CC Channel State Information Convolutional Code CP Cyclic Prefix CMAC block Cipher-based Message Authentication Code CTC Convolutional Turbo Code DSL Digital Subscriber Line DL Downlink EAP Extensible Authentication Protocol FEC Forward Error Correction FFT Fast Fourier Transform HMAC keyed Hash Message Authentication Code IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IP Internet Protocol ISI Intersymbol Interference IFFT Inverse Fast Fourier Transform OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing LDPC Low Density Parity Check Code LAN Local Area Network LUẬN VĂN CAO HỌC LLR MAC Log Likelihood Ratio Media Access Control MAN Metropolitan Area Network MAP Maximum A Posteriori MIMO Multiple Input Multiple Output MPLS Multi-Protocol Label Switching MBS Most Significant Bit ML Maximum Likelihood PCCC Parallel Concatenated Convolutional Codes PRBS Pseudo Random Binary Sequence PSK Phase Shift Keying QAM Quadratury Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying QoS Quality of Service RSC Recursive Systematic Convolutional SCCC Serial Concatenated Convolutional Codes SER Symbol Error Rate SIM Subscriber Identify Module SISO Soft Input Soft Output SNR Signal to Noise Ratio SOVA Soft Output Viterbi Algorithm STC Space Time Coding TCM Trellis Coded Modulation TDD Time Division Duplex VoIP Voice over Internet Protocol VA Viterbi Algorithm USIM Universal Subscriber Identify Module UL Uplink WEF Weight Enumerating Function WER Word Error Rate WiFi Wireless Fidelity LUẬN VĂN CAO HỌC MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, dịch vụ ứng dụng mạng di động có bước phát triển bùng nổ với nhiều loại hình đa dịch vụ đa nội dung dịch vụ hội nghị trực tuyến, ngân hàng điện tử, Internet tốc độ cao hay dịch vụ đào tạo từ xa trực tuyến, game trực tuyến Các dịch vụ phát triển đồng nghĩa với việc công nghệ truy nhập liên tục phát triển để đáp ứng đòi hỏi ngày cao băng thông cho truy cập, chất lượng dịch vụ hiệu kinh tế Các công nghệ truy nhập băng rộng phát triển nhanh chóng năm gần bao gồm công nghệ truy nhập hữu tuyến công nghệ vô tuyến Một loạt chuẩn mạng truy nhập vô tuyến băng rộng nhiều tổ chức nghiên cứu, xây dựng phát triển chuẩn IEEE 802.11x, IEEE 802.15, IEEE 802.16, IEEE 802.20, HIPERLAN 1/2, HomeRF, chuẩn Bluetooth, Phạm vi ứng dụng chuẩn bao trùm từ mạng cá nhân, mạng nội (LAN), mạng đô thị (MAN) mạng diện rộng (WAN) Mặc dù hệ thống thông tin di động hệ thứ thứ phát triển không ngừng công ty viễn thông lớn giới bắt đầu tiến hành triển khai thử nghiệm chuẩn di động hệ 4G với nhiều tiềm năng, có công nghệ LTE (Long Term Evolution) Một vấn đề cốt lõi trình chuẩn hóa 4G LTE tổ chức 3GPP việc nghiên cứu áp dụng phương thức mã hóa kênh, đan xen với nguyên lý phối hợp tốc độ cho mục đích sửa lỗi phía trước Với mục đích mang lại nhìn rõ phương pháp mã hóa kênh đan xen phối hợp tốc độ, ứng dụng phương pháp vào hệ thống thông tin di động băng rộng 4G LTE, chọn đề tài tốt nghiệp là: “Nghiên cứu thiết kế khối mã hóa giải mã hóa turbo code theo chuẩn LTE 4G” Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Ngô Vũ Đức, người bảo nhiệt tình trình làm luận văn Đồng thời xin gửi lời cảm ơn tới người thân, bạn bè, đồng nghiệp,…đã tạo điều kiện cho hoàn thành luận văn LUẬN VĂN CAO HỌC Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG TIN SỐ VÀ CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ LTE 4G 1.1 Cấu trúc hệ thống tin số Vào cuối kỷ 20 đầu kỷ 21 đời nhiều loại hệ thống thông tin số, chúng khác giải pháp xử lý tín hiệu số nhằm thực việc truyền tín hiệu số cách có hiệu phương diện chiếm dụng băng tần công suất tín hiệu Một giải pháp dùng kỹ thuật mã hoá kiểm soát lỗi (Error Control Encoding) Mục tiêu mã kiểm soát lỗi hệ thống thông tin số làm cho độ tin cậy truyền tin đạt cực đại phạm vi bị ràng buộc độ rộng băng tần, công suất tín hiệu độ phức tạp mạch điện hệ thống Để làm rõ vai trò việc mã hoá kiểm soát lỗi, ta đưa mô hình hệ thống thông tin số tổng quát sau: Nguồn tin Mã hóa nguồn Mã hóa mật Mã hóa kênh Điều chế Kênh truyền Tin tức thu Giải mã hóa nguồn Giải mã hóa mật Giải mã Hóa kênh Giải điều Chế Hình 1.1: Mô hình tổng quát hệ thống thông tin số Trong đó, nguồn tin nơi tạo tin chứa đựng thông tin cần phát đi, tin từ, ký hiệu mã v.v Đầu nguồn tin chuỗi ký hiệu biến đổi từ bảng chữ đó, thông thường ký hiệu nhị phân Đầu nguồn tin có nhiều thông tin dư nên mã nguồn thiết kế để chuỗi đầu nguồn tin trở thành chuỗi chữ số nhị phân có độ dư thừa cực tiểu Nếu mã nguồn tạo rb bit/giây rb gọi tốc độ liệu LUẬN VĂN CAO HỌC Kênh truyền nguyên nhân chủ yếu gây lỗi cho tín hiệu thu, nên mã kênh thực thêm vào bit kiểm tra vào chuỗi thông tin nhằm giảm tối thiểu lỗi sau giải mã Bộ mã kênh ánh xạ tin k chữ số đầu vào thành tin n chữ số đầu gọi từ mã Một kiểm soát lỗi gọi tốt tạo từ mã có khoảng cách sai khác (khoảng cách Hamming) lớn Mỗi mã mô tả tỷ số R = k/n < gọi tỷ lệ mã, tốc độ liệu đầu mã kênh rc = rb/R [bit/giây] Như vậy, mã kênh làm giảm tốc độ truyền liệu làm tăng độ rộng băng tần kênh truyền Để tín hiệu đầu mã kênh phù hợp với kênh truyền, điều chế thực xếp chuỗi số đầu mã kênh thành chuỗi dạng sóng tương tự (các ký hiệu) phù hợp với đặc tính kênh truyền Để tăng tốc độ truyền, dấu (symbol) mang nhiều bit thông tin hệ thống điều chế đa mức (QPSK-TCM, MPSK, MQAM, ) Một điều chế M mức thực xếp khối m chữ số nhị phân đầu mã kênh thành M dạng sóng có thể, M = 2m Quá trình điều chế thực cách biến đổi giá trị biên độ, pha tần số dạng sóng hình sin gọi tải tin Chu kỳ dạng sóng đầu điều chế T giây rS = 1/T gọi tốc độ ký hiệu Độ rộng băng tần tín hiệu cực tiểu rS [Hz] biểu diễn sau: rs  rb lR (1.1) Kênh phương tiện sử dụng để truyền tải tin Ví dụ, kênh hữu tuyến điện, kênh vô tuyến điện, kênh sợi quang Hai ảnh hưởng quan trọng kênh tạp nhiễu độ rộng băng tần Ngoài ra, kênh thông tin di động bị hạn chế lan truyền đa đường, cáp sợi quang bị tán sắc tín hiệu Tạp nhiễu Dữ liệu vào Điều chế Kênh Giải điều chế Dữ liệu Giải điều chế kết hợp Hình 1.2: Sơ đồ giải điều chế kết hợp Từ sơ đồ kênh kết hợp, giá trị đầu kênh kết hợp phụ thuộc vào giá trị hành đầu vào giải mã mà không phụ thuộc vào vài tín hiệu trước ta gọi kênh không nhớ Nó miêu tả xác suất truyền P(i|j), i ký hiệu đầu vào nhị phân j ký hiệu đầu nhị phân Mô hình kênh đơn giản LUẬN VĂN CAO HỌC xác suất xuất lỗi ký hiệu nhị phân “0” “1” kênh kênh không nhớ Mô hình kênh loại biết đến kênh đối xứng nhị phân (BSC-Binary Symmetric Channel) Với giải pháp định cứng đầu giải điều chế làm cho giải mã kênh cải thiện tổn hao thông tin Chỉ giải điều chế thực lượng tử hoá đầu ra, với số mức lượng tử lớn hai đưa mẫu tín hiệu băng gốc liên tục vào giải mã kênh trình giải mã gọi giải mã định mềm cải thiện tổn hao thông tin Sơ đồ mã kênh thường chia làm hai loại (hình 1.3), mã dạng sóng (Waveform) mã chuỗi có cấu trúc (Structured sequence) Trong mã dạng sóng bao gồm: mã đối cực (Antipodal), mã trực giao (Orthogonal), mã lưới (Trellis) mã tín hiệu đa mức (M-ary) Trong mã chuỗi có cấu trúc bao gồm: mã khối (block), mã chập (convolutional) mã liên kết Mã khối mã không nhớ (chuỗi bit thu đầu mã phụ thuộc vào tin đầu vào hành mà không phụ thuộc vài tin trước đó) Trái ngược với mã khối mã chập, mã có nhớ (chuỗi bit nhận đầu mã không phụ thuộc vào tin đầu vào hành mà phụ thuộc vào vài tin trước đó) Mã liên kết kết hợp hai mã vòng vòng phân biệt hoán vị bit Năm 1967, Forney đưa sơ đồ mã hoá gồm mã vòng mã chập mã vòng mã khối Reed-Solomon Sau đó, năm 1993 Berrou đưa mã Turbo có cấu trúc gồm hai mã chập kết nối song song thông qua hoán vị năm 1996 Benedetto đưa sơ đồ mã gồm hai mã chập liên kết nối tiếp Các mã sử dụng thuật toán giải mã lặp có chất lượng tiến tới giới hạn Shannon Mã kênh Mã chuỗi có cấu trúc trúc Mã dạng sóng Mã khối Mã đối cực Mã chập Mã trực giao Mã liên kết Mã lưới Mã tín hiệu đa mức Hình 1.3: Sơ đồ phân loại mã kênh LUẬN VĂN CAO HỌC 1.2 Giới hạn Shannon Một hệ thống thông tin số có tốc độ r bị giới hạn độ rộng băng tần B b đánh giá qua hiệu suất sử dụng phổ , ký hiệu η  rb B  rs lR B bit/giây/Hz (1.2) Có thể viết (1.3) Với rs tốc độ ký hiệu Khi độ rộng băng tần yêu cầu tối thiểu cho tín hiệu sau điều chế rs Hz, hiệu sử dụng phổ đạt cực đại ký hiệu η max  m ax  lR (1.4) Để đạt hiệu sử dụng công suất yêu cầu tỷ số E b / N (Eb lượng trung bình thu bit thông tin, N0 mật độ phổ công suất tạp âm đơn biên) phải đạt xác suất lỗi bit theo lý thuyết có quan hệ với tỷ số tín hiệu tạp âm (SNR ) S/N có liên hệ với E b / N E S  lR b N N0 (1.5) Như vậy, giới hạn tốc độ truyền liệu kênh có liên quan tới tỷ số tín hiệu tạp âm độ rộng băng tần hệ thống theo khái niệm dung lượng kênh, ký hiệu C, Shannon giới thiệu [3] Đó tốc độ cực đại mà thông tin truyền qua kênh có nhiễu Gauss trắng đưa công thức Shannon - Harley S  C  B log 1   (bit/giây) N  (1.6) Định lý mã kênh Shannon phát biểu sau: “Khi xem xét kênh AWGN, tồn mã kiểm soát lỗi cho truyền thông tin qua kênh với tốc độ rb nhỏ dung lượng kênh tỷ số lỗi bit thấp tuỳ ý” Nghĩa là, trường hợp có sử dụng mã kênh, tốc độ truyền liệu nhỏ dung lượng kênh (rb < C) chất lượng thông tin đạt xác suất lỗi thấp tuỳ ý, ngược lại tốc độ truyền liệu lớn dung lượng kênh (rb > C) chất lượng thông tin đạt xác suất lỗi thấp tuỳ ý Định lý mã kênh Shannon không cách thức để thiết kế mã nhằm đạt tốc độ liệu tiệm cận tốc độ cực đại (rb = C) xác suất lỗi thấp tuỳ ý, điều đặt thách thức lớn cho nghiên cứu phát triển kỹ thuật mã kiểm soát lỗi Giả sử với đường truyền lỗi (error-free), tốc độ liệu đạt cực đại (rb = C) hiệu sử dụng phổ đạt cực đại η = C/B, viết: max 10 LUẬN VĂN CAO HỌC với phản hồi định cứng, phản hồi mềm mấu chốt để nhận tăng ích vốn có BICM việc giảm truyền lỗi Trong phạm vi nghiên cứu đề tài đề cập phương pháp hoán vị bit theo phương pháp ngẫu nhiên Hình 2.20: Quá trình mã hóa kênh Hình 2.21: Bộ hoán vị inline Tách dòng bit Puncture Puncture Puncture Puncture 0100 0010 1000 0001 Bảng 2.1: Các Puncture tách dòng bit Chèn thêm chuỗi bit zero insert zero insert zero insert zero insert zero 1000 0100 0010 0001 Bảng 2.2: Chuỗi zero chèn Quá trình thực sau: Các bit liệu sau mã hóa turbo CTC tách thành bốn đường song song Quá trình thực tách bit Puncture 1, 2, Dòng bit từ Puncture 1, đưa vào hoán vị khối interleaver 2, 1, Các hoán vị hoán vị ngẫu nhiên dòng bit tương ứng, sau dòng 52 LUẬN VĂN CAO HỌC bit hoán vị hợp lại thành dòng bit nối tiếp cách chèn thêm chuỗi bit zero để có tốc độ bit tương ứng với tốc độ bit ban đầu Mục đích việc hoán vị bit quan trọng quan thay đổi trật tự cách ngẫu nhiên Bộ hoán vị gọi “inline” Hàm hoán vị [aa hoanvi] = sort(rand(frameLen/4,3)) hoanvi1 = hoanvi(:,1) hoanvi2 = hoanvi(:,2) hoanvi3 = hoanvi(:,3) Trong frameLen chiều dài khung liệu mã Gán nhãn tín hiệu Điểm mấu chốt thiết kế phương pháp mã hoá khác làm tối ưu với phép gán nhãn (hay phương pháp ánh xạ) tập tín hiệu khác theo mã Gray Các sơ đồ ánh xạ với 16-QAM mô tả hình Kết hợp hoán vị bit cải tiến điều chế theo mã Gray có thay đổi khoảng cách bit giảng đồ chòm theo mong muốn Thay đổi phương pháp ánh xạ giảng đồ chòm theo mã Gray Hình 2.22: Giảng đồ chòm điều chế 16-QAM theo mã Gray Luật ánh xạ sau: 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 13 14 16 15 10 12 11 -3-3j -1-j 3-3j 1-3j -3-j -1-j 3-j 1-j -3+3j -1+3j 3+3j 1+3j -3+j -1+j 3+j 1+j 53 LUẬN VĂN CAO HỌC Bảng 4.3: Luật ánh xạ chòm Tương ứng với véc tơ ánh xạ [13 14 16 15 10 12 11 ] Từ giảng đồ chòm thấy sai khác giữ cặp điểm giảng đồ khoảng cách di nhãn nhị phân khác bit thứ i (i= 0, 1,2,3), khoảng cách cặp điểm d0=d2>d1=d3 Tính trung bình cặp điểm điều chế 16-QAM Hình 2.23: Sự sai khác vị trí bit điểm chòm Chúng ta xếp điểm giảng đồ chòm với mục đích tìm khoảng cách cặp bit thích hợp cho bit đầu máy mã turbo sau qua “inline” có cải thiện độ lợi công suất Eb/N0(dB) tỷ lệ BER Các cách thay đổi sau: Theo mã Gray  Cách thứ nhất: d0d1 = [13 14 10 16 15 12 11 7] 54 LUẬN VĂN CAO HỌC Hình 2.24: Các cặp bit cách bit thứ (d0) bit thứ hai (d1)  Cách thứ hai: d0d3 = [13 16 14 15 12 10 11 7] Hình 2.25: Các cặp bit cách bit thứ (d0) bit thứ tư (d3) Theo mã anti-Gray Vectơ ánh xạ [1 10 12 11 13 14 16 15] 55 LUẬN VĂN CAO HỌC Hình 2.26: Giảng đồ chòm điều chế 16-QAM theo mã antiGray 2.9 Kết luận: Chuỗi tin sau truyền qua kênh truyền giải điều chế (dumodulate) đưa đến giải mã Tín hiệu ngõ giải điều chế ngõ vào giải mã định trình giải mã “ cứng ”hay “mềm ” Bộ giải mã tính toán giá trị để xét độ tin cậy giá trị cuối định Điều làm giảm khả xẩy lỗi độ lợi mã tổng cộng tăng 2,5 dB so với giải mã cứng môi trường có SRN thấp Tuy nhiên, để đạt độ lợi mã giải mã mềm có độ phức tạp cao nhiều so với giải mã cứng Với khả tính toán chíp vi xử lý hay chíp DSP với khối lượng nhớ ngày phức tạp giải mã mềm không vấn đề lớn xu hướng giới sử dụng giải mã mềm, chí giải mã lại cho loại mã khối mã tích chập truyền thống phương pháp giải mã mềm 56 LUẬN VĂN CAO HỌC Chương 3: MÔ PHỎNG MÃ HÓA TURBOCODE 3.1 Khảo sát chất lượng hệ thống LTE 4G 3.1.1 Tham số mô toán đầu vào  Số kênh numSubchan=16  Kích thước hoán vị=768(inline=768/4=192)  Số lần lặp numIter =  Điều chế đường xuống 16QAM  Tốc độ mã R=1/2, 3/4  Mô thực kênh AWGN  Mục tiêu tham số đầu ra: Tham số đầu hình mô BER trục tung phản ánh tỉ lệ lỗi bit kênh truyền, Eb/N0(dB) trục hoành phản ánh tỉ lệ tín/tạp Mục tiêu việc mô để đánh giá Phẩm chất mã Turbo chịu ảnh hưởng của: tốc độ mã, số lần giải mã lặp, cách thức hóan vị khác cho tỉ lệ BER khác Mục đích việc mong muốn tối ưu tất ảnh hưởng đưa mã Turbo có tỉ lệ BER thấp  Cách thực mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab Thực mô sử dụng công cụ khối chức (funtion & device block) phần mềm mô Matlab Simulink (theo hình phụ lục 1,2).Và (phần phụ lục:lập trình Matlab) 3.1.2 Kết mô Kết mô turbo gốc không sử dụng inline, điều chế 16QAM, tốc độ mã R=1/2 57 LUẬN VĂN CAO HỌC Hình 3.1: Không có inline, tốc độ mã R=1/2, điều chế 16QAM Kết mô turbo sử dụng inline, điều chế 16QAM, tốc độ mã R=1/2 Hình 3.2: Có inline, tốc độ mã R=1/2, điều chế 16QAM Kết mô turbo gốc không sử dụng inline, điều chế 16QAM, tốc độ mã R=3/4 58 LUẬN VĂN CAO HỌC Hình 3.3: Không có inline, tốc độ mã R=3/4, điều chế 16QAM Kết mô turbo sử dụng inline, điều chế 16QAM, tốc độ mã R=3/4 Hình 3.4: Có inline, tốc độ mã R=3/4, điều chế 16QAM 59 LUẬN VĂN CAO HỌC 3.2 phân tích kết mô  Gán nhãn tín hiệu, tốc độ mã R=1/2, có sử dụng inline, điều chế 16QAM kết mô cho thấy đường d0d1 có lợi công suất Eb/N0(dB) so với cách khác tỷ lệ BER  Ở tốc độ mã R=3/4, có sử dụng inline không dùng inline, điều chế 16QAM kết mô cho thấy đường gần tương đương nguyên nhân chiều dài hoán vị chưa đủ lớn, dẫn tới chưa thể độ lợi tỷ lệ BER  Số lần giải mã lặp nhiều tốt  Dùng inline trường hợp mã tốc độ 1/2 kết hợp với cách ánh xạ khác đem lại độ lợi định  Dùng inline trường hợp mã tốc độ 3/4 kết hợp với cách ánh xạ khác chưa đem lại độ lợi chiều dài hoán vị chưa đủ lớn  Lựa chọn điều kiện làm việc mã Turbo  Phẩm chất mã Turbo chịu ảnh hưởng của: tốc độ mã, số lần giải mã lặp, cách thức hóan vị, cách thức ánh xạ … 3.3 Kết luận:  Khi lựa chọn cách thức làm việc kết hợp nhiều tham số để có nhiều phương án đáp ứng với yêu cầu dịch vụ  Bộ hóan vị inline lựa chọn tốt cho việc giảm thiểu thời gian giải mã  Hướng nghiên cứu mong muốn tiếp theo: Nghiên cứu mã Turbo với nhiều phương pháp hoán vị giả ngẫu nhiên phong phú, môi trường pha-đinh 60 LUẬN VĂN CAO HỌC KẾT LUẬN Với yêu cầu đươc đề ra, luận văn thực nghiên cứu phân tích thiết kế mã hóa giải mã turbo code sơ đồ mã hóa kênh áp dụng 4G LTE chuẩn hóa Tài liệu tham khảo [5] Cụ thể vấn đề sau:  Tổng quan LTE, thách thức số phương pháp then chốt để khắc phục thách thức truyền dẫn tốc độ cao LTE  Các lý thuyết mã hóa kênh số phương pháp mã hóa kênh phổ biến chuẩn hóa tổ chức 3GPP, 3GPP2  Phân tích sơ đồ mã hóa kênh 4G LTE Thực mô đánh giá chất lượng sơ đồ mã hóa turbo 4G LTE Hướng nghiên cứu đề tài tìm hiểu sâu mã LDPC nghiên cứu tính khả thi việc thay mã turbo phương pháp mã hóa 4G LTE, có lẽ vấn đề nhà nghiên cứu, nhà sản xuất 61 LUẬN VĂN CAO HỌC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phạm Anh Dũng: “Thông tin di động 3G”, Học viện Công nghệ BCVT, NXB Bưu điện [2] C Berrou, A Glavieux and P Thitimajshima, “Near Shannon Limit ErrorCorresting Coding and Decoding: Turbo codes”, in Proc 1993 Inter Conf Commun, 1993, PP 1064-1070 [3] Branka Vucetic, Jinhong Yuan: “Turbo codes: principles and applications”, Kluwer Academic Puglishers [4] X Li and J A Ritcey, “Bit-interleaved Coded Modulation with Iterative Ecoding,” IEEE Commun Lett., vol 1, pp 169–171, Nov 1997 [5] Tiêu chuẩn TS 36.212 V9.2.0 (2010-06) tổ chức 3GPP 62 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Khối mô turbo không sử dụng inline 63 LUẬN VĂN CAO HỌC Phụ lục 2: Khối mô turbo sử dụng inline 64 PHỤ LỤC: LẬP TRÌNH CODE_MATLAB Code_Hoán vị CTC function [CTC_int] = hoanviCTC(numSubchan,codingratio) % Generation of the interleaver for the CTC % Writen by DT Tuan % Last modified March 18, 2015 if codingratio == 1/2 P0 = 11; N = numSubchan*12; elseif codingratio == 3/4 P0 = 13; N = numSubchan*18; else ; end vec_inA = 2*[1:1:N]-1; vec_inB = 2*[1:1:N]; for j = 1:N if mod(j,2)==0 temp=vec_inA(j); vec_inA(j)=vec_inB(j); vec_inB(j)=temp; end end for j = 1:N rem = mod(j,4); switch rem case 0, P = 0; case 1, P = 0; case 2, P = N/4; case 3, P = 5*N/4; otherwise ; end NewIndex(j)=mod(P0*j+P+1,N); end % Final interleaver sys_int(2*NewIndex+1) = vec_inA; sys_int(2*NewIndex+2) = vec_inB; CTC_int(sys_int) = [1:1:N*2]; CTC_int = sys_int'; Code_Hoán vị modulator function [MOD_int] = hoanviMod(cpc,frameLen) % Generation of the interleaver for modulator % Writen by DT tuan % Last modified March 18, 2015 s = ceil(cpc/2); for k = 0:frameLen-1 mk = (frameLen/12)*mod(k,12) + floor(k/12); temp(k+1) = s*floor(mk/s) + mod(mk + frameLen - floor(12*mk/frameLen),s)+1; end MOD_int(temp) = [1:1:length(temp)]; MOD_int = MOD_int'; Code_Simulink Turbo LTE % The simulation of the convolutional turbo code % used as the option for channel coding in LTE % with 16qam % Writen by DT tuan % Last modified March 18, 2015 clear all % setting trellises for the component RSCs trellisA = struct('numInputSymbols', 4, 'numOutputSymbols', 8, 'numStates', 8, 'nextStates',[0 3;4 7;1 2;5 6; 5;2 1;7 4;3 0], 'outputs',[ 6; 6; 7; 65 LUẬN VĂN CAO HỌC 7; 7; 7; 6; 6]); % setting trellis for the outer decoder trellisB = struct('numInputSymbols', 4, 'numOutputSymbols', 2, 'numStates', 8, 'nextStates',[0 3;4 7;1 2;5 6; 5;2 1;7 4;3 0], 'outputs',[ 1 0; 1 0; 0 1; 0 1; 0 1; 0 1; 1 0; 1 0]); % Generation of the signal vector qamPoints = [-3+3j, -1+3j, 1+3j, 3+3j, -3+1j, -1+1j, 1+1j, 3+1j, -3-1j, -1-1j, 1-1j, 3-1j, -3-3j, -1-3j, 1-3j, 3-3j]/sqrt(10); mappingRule = [13 14 16 15 10 12 11 7]; Es = 10; %mappingRule = [13 14 10 16 15 12 11 7]; Es = 10; %mappingRule = [1 10 12 11 13 14 16 15]; Es = 10; %mappingRule = [8 15 16 10 11 14 12 13 1]; Es = 10; Label = qamPoints(mappingRule); % computing the coding rate puncVec = [1 1 1]'; % rate 1/2 %puncVec = [1 1 1 1 0]'; % rate = 3/4 codingratio = (1/2)*length(puncVec)/sum(puncVec); % parameters setting numSubchan = 16; % number of subchannels codebitpercar = 4; % 16qam [CTC_int] = hoanviCTC(numSubchan,codingratio); % CTC interleaver dataLen = length(CTC_int); % The Information Block Length frameLen = dataLen/codingratio; % The modulation block length [MOD_int] = hoanviMod(codebitpercar,frameLen); [aa hoanvi] = sort(rand(frameLen/4,3)); hoanvi1 = hoanvi(:,1); hoanvi2 = hoanvi(:,2);hoanvi3 = hoanvi(:,3); % setting for computation of SNR codeRate = codingratio*codebitpercar; EbN0Vec = [2:1:8]; % Simulation SNR range BERVec = []; % The bit error probability % Simulation setup opts = simset('SrcWorkspace','Current','DstWorkspace','Current'); numIter = 8; % The number of iterations ter = 6e8; % The maximum nunber of generated bits %SF = 0; % no feedback SF = 1; % with feedback scale = [0:1:10]/10; % Iteration in SNR for n=1:length(EbN0Vec) EbN0dB = EbN0Vec(n); noiseVar=1/((codeRate)*(10.^(EbN0dB/10))); % Noise Variance if EbN0dB [...]... biểu, thích ứng đường truyền và HARQ trong LTE Các chương tiếp theo sẽ phân tích cụ thể hơn về lý thuyết mã hóa kênh và các phương pháp mã hóa kênh phổ biến được áp dụng trong các chuẩn di động băng rộng, và sơ đồ mã hóa kênh áp dụng trong LTE 14 LUẬN VĂN CAO HỌC Chương 2: MÃ TURBO VÀ GIẢI MÃ LẬP 2.1 Cấu trúc bộ mã hóa turbo Một bộ mã hóa turbo được hình thành bởi hai bộ mã chập hệ thống đệ quy (RSC-Recursive... là mã kênh Đây là một tiêu chuẩn mới do CCSDS (Consultative Committee for Space Data Systems) đưa ra Sơ đồ khối bộ mã hóa turbo như hình 2.5 theo TLTK[1] Bộ mã hóa turbo có được bởi hai bộ mã hóa RSC tốc độ 1/2 liên kết song song Ma trận sinh của mã RSC như sau  1  D  D3  D4  G( D)  1  1  D3  D4   Hình 2.5: Sơ đồ khối bộ mã hóa turbo CCSDS Mã hóa turbo tốc độ 1/4 có được bởi bộ hai mã hóa. .. tin di động băng rộng 4G LTE Ngoài việc áp dụng công nghệ OFDM, các công nghệ then chốt sử dụng trong thông tin di động băng rộng 4G LTE bao gồm: - Kỹ thuật đa anten - Lập biểu, thích ứng đường truyền và HARQ trong 4G LTE 1.6 Kết luận Như đã trình bày ở trên, mã hóa kênh là một trong những khía cạnh rất quan trọng trong LTE Nghiên cứu về mã hóa kênh và các sơ đồ mã hóa kênh trong LTE rất có ý nghĩa nếu... độ lợi 4 dB Mã turbo và giải mã lặp [3] đã lấp được khe hở về giới hạn giữa dung lượng và -5 chất lượng mã Chúng có thể đạt được Eb/N0 = 0,7 dB cho BER =10 và η = 0,5 bit/giây/Hz Để tiến tới giới hạn Shannon đã có nhiều bộ mã và phương pháp giải mã ra đời Hiện nay mã turbo kết hợp với phương pháp giải mã lặp đã gần đạt được giới hạn Shannon Với những ưu điểm trên mã turbo đã được ứng dụng vào công nghệ... tại đầu vào của bộ mã hóa thứ hai được ký hiệu là c~ Chỉ có chuỗi kiểm tra chẵn lẻ của bộ mã hóa thứ hai được truyền đi, chuỗi này được ký hiệu là v2 Chuỗi thông tin v0 và chuỗi kiểm tra chẵn lẻ của bộ mã hóa thứ hai v1, v2 được ghép để tạo ra chuỗi mã turbo Mã này có tốc độ là 1/3 15 LUẬN VĂN CAO HỌC Ví dụ 2.1: Bộ mã hóa turbo theo TLTK[3] tốc độ 1/3 Một bộ mã hóa turbo tốc độ 1/3 dựa trên mã RSC... bằng cách luân phiên loại bỏ các bit chẵn lẻ v2 và v’2 của hai bộ mã hóa thành phần luân phiên nhau Việc loại bỏ xen kẽ các bit chẵn lẻ v1 và v’1 sẽ cho mã turbo tốc độ 1/3 Để được mã turbo tốc độ 1/2, người ta loại bỏ các bit chẵn lẻ v2 , v’2, v1 và v’1 đối với cả hai bộ mã hóa này sẽ được loại bỏ Bộ mã hóa turbo cho kênh xuôi được dựa trên hai bộ mã RSC (3, 1, 3) tỷ lệ mã 1/3 có ma trận sinh  1 ... được mã turbo tốc độ 1/4, các bit chẵn lẻ v1 từ bộ mã hóa thành phần thứ nhất và v’2 từ bộ mã hóa thành phần thứ hai được loại bỏ xen kẽ Để có được mã turbo tốc độ 1/3, các bit chẵn lẻ v2 và v’2 của cả hai bộ mã hóa đều được loại bỏ 2.3.3 Mã turbo cho thông tin di động thế hệ 3 Trong thông tin di động thế hệ 3GPP (3rd Generation Partnership Project) gồm một mã turbo 8 trạng thái tốc độ 1/3 hay 1/2, và. .. TLTK[1] Các mã thành phần được đặc trưng bởi mã RSC (3, 1, 3) tỷ lệ mã 1/3 Ma trận sinh của mã RSC như sau  1  D 2  D3 1  D  D 2  D3  G( D)  1  3 1  D  D3   1 D  D Hình 2.6: Bộ mã hóa turbo liên kết ngược dùng cho WCDMA2000 Bằng cách loại bỏ xen kẽ (puncturing) các phần tử đầu ra của bộ mã hóa, có thể đạt được tốc độ mã thay đổi 1/4, 1/2 và 1/3 Mã turbo tốc độ 1/4 có được bằng cách luân... khoảng cách Hamming tự do lên hoặc giảm bớt số lượng từ mã có khoảng cách nhỏ trong phổ khoảng cách của mã Có bốn loại công nghệ hoán vị Đó là hoán vị khối, hoán vị chập, hoán vị ngẫu nhiên và hoán vị phù hợp theo mã theo TLTK[3] 18 LUẬN VĂN CAO HỌC 2.3 Một số ứng dụng của mã hóa turbo 2.3.1 Mã turbo cho thông tin vũ trụ Trong thông tin vũ trụ sử dụng mã turbo 16 trạng thái, tốc độ 1/2, 1/3, 1/4 và 1/6... D) là đa thức phản hồi và đặt trước có bậc v riêng biệt Trong bộ mã hóa, với cùng chuỗi thông tin được mã hóa hai lần nhưng theo một trật tự khác nhau Bộ mã hóa thứ nhất mã hóa trực tiếp chuỗi đầu vào, chuỗi đầu vào được ký hiệu là c có chiều dài là N Bộ mã hóa thành phần thứ nhất có hai đầu ra Đầu ra thứ nhất được ký hiệu là v0 chính là chuỗi đầu vào khi bộ mã hóa có hệ thống Các đầu ra khác là chuỗi