Mã turbo trong thông tin di động 3g

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Nguyễn Trung Hiếu MÃ TURBO TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2011 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đinh Thế Cường Phản biện 1: …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Mở đầu Trong xã hội ngày nay, thông tin mang ý nghĩa quan trọng Vì năm qua , nhà khoa học, nhà cung cấp dịch vụ không ngừng nghiên cứu để cải thiện chất lượng dịch vụ cung cấp dịch vụ nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ thông tin người, đặc biệt lĩnh vực thông tin di động Nhu cầu trao đổi thông tin ngày tăng số lượng, chất lượng loại hình dịch vụ kèm theo địi hỏi phải tìm phương thức để nâng cao phát triển đáp ứng nhu cầu Chính thơng tin di động 3G đưa nhằm giải phần vấn để Hệ thống thông tin di động 3G đời chứng minh ưu điểm so với hệ thống trước đó, vấn đề đặt giải cho việc trao đổi thông tin cung cấp dịch vụ đạt hiệu Có nhiều công nghệ, kỹ thuật đưa nhằm giải vấn để kỹ thuật mã kênh trong thông tin di động đưa vào sử dụng chứng minh ưu điểm Trong q trình mã hóa, mã turbo thường sử dụng đem lại kết khả quan.Vấn để đưa cho việ sử dụng mã turbo đem lại kết tốt Vì việc “cải thiện chất lượng mã turbo thông tin di động 3G” quan tâm Do thời gian có hạn, luận văn khơng thể trình bày hết tổng thể mạng 3G nên Trong luận văn sâu vào tìm hiểu mạng WCDMA chủ yếu Cấu trúc luận văn gồm chương: Chương 1: Tổng quan thông tin di động 3G Nội dung chương giúp ta tìm hiểu cách tổng quan vẻ mạng di động 3G lịch sử phát triển, kỹ thuật hay sử dụng mà cơng nghệ điều khiển công suất kỹ thuật chuyển giao Chương 2: Phương pháp mã hóa thơng tin di động 3G (WCDMA) Nội dung chương tìm hiểu cấu trúc cụ thể mạng di động 3G lớp vật lý WCDMA Qua chương đưa kỹ thuật mã hóa thường sử dụng WCDMA Chương 3: Mã turbo thông tin di động 3G Đây chương luận văn, chương trình bày cấu trúc mã hóa giải mã turbo Trong chương trình bày phương pháp để nhằm cải thiện chất lượng mã turbo thông tin di động 3G nhờ kết hợp mã turbo với điều chế 4PSK Chương TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG Trong chương tìm hiểu lịch sử phát triển thông tin di động thông tin di động 3G số phương pháp làm tăng tính hiệu trình phát triển dịch vụ 3G như: điều khiển công suất, chuyển giao mềm,… 1.1 Lịch sử phát triển thông tin di động Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến thử nghiệm ST Louis, băng Missouri Mỹ Tháng 12-1971 đưa hệ thống cellular kỹ thuật tương tự, FM dải tần số 850Mhz Dựa công nghệ đến năm 1983, mạng điện thoại di động AMPS (Advance Mobile Phone Service) phục vụ thương mại Chicago nước Mỹ (1G) Thế hệ thứ (2G) phổ biến suốt thập niên 90 Đây thời kỳ chuyển đổi công nghệ từ analog sang digital Thế hệ thứ (3G), từ năm 1992 Hội nghị giới truyền thông dành cho truyền thông số giải tần cho hệ thống thông tin di động 3G: phổ rộng 230MHz giải tần 2GHz, 60MHz dành cho liên lạc vệ tinh Sau Liên Hiệp Quốc Tế Truyền Thông (UIT) chủ trương hệ thống thông tin di động quốc tế toàn cầu với dự án IMT- 2000 sử dụng dải tần 1885-2025MHz 2110-2200MHz Thế hệ 3G gồm kỹ thuật: W-CDMA (Wide band CDMA) kiểu FDD TD-CDMA (Time Division CDMA) kiểu TDD Dịch vụ năm 2001 - 2002 1.2 Giới thiệu hệ thống thông tin di động 3G 1.2.1 Lịch trình nghiên cứu phát triển hệ thống thơng tin di động hệ ba Cơng trình nghiên cứu nước Châu Âu cho W-CDMA đề án CDMT (Code Division Multiple Testbed): Phòng thí nghiệm đa truy nhập theo mã) FRAMES (Future Radio Multiple Access Scheme: Sơ đồ đa truy nhập vô tuyến tương lai) từ đầu thập niên 90 * Lịch trình nghiên cứu đưa mạng W-CDMA vào khai thác: Ở Châu Âu Châu Á, hệ thống W-CDMA đưa khai thác vào đầu năm 2002 Lịch trình nghiên cứu phát triển cdma2000/3GPP2 chia thành pha: - Pha 1: (1997 – 1999) Nghiên cứu phát triển mẫu hệ thống - Pha 2: (2000 -2002) + Phát triển hệ thống với mục tiêu thương mại nhà sản xuất hàng đầu ; + Năm 2002: Bắt đầu dịch vụ thương mại 1.2.2.Các chuẩn 3G Lúc đầu 3G dự kiến chuẩn thống giới, thực tế, giới 3G bị chia thành phần: UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), dựa công nghệ truy cập vơ tuyến W-CDMA, giải pháp nói chung thích hợp với nhà khai thác dịch vụ di động (Mobile Network operator) sử dụng GSM FOMA: Thực công ty viễn thông NTT DoCoMo Nhật vào năm 2001, coi dịch vụ thương mại 3G khơng tương thích với UTMS dù sử dụng công nghệ WCDMA CDMA2000: Là hệ chuẩn 2G CDMA IS-95 CDMA2000 cung cấp tốc độ liệu từ 144kbit/s tới 3Mbit/s TD-SCDMA phát triển Trung Quốc công ty Datang Và Siemens Hỗ trợ tốc độ từ 384kbit/s đến 2Mbit/s 1.2.3.Các Thông số kỹ thuật Các thông số kỹ thuật WCDMA mô tả bảng Bảng 1.2 Bảng thông số kỹ thuật WCDMA Băng thông kênh 5MHZ Chế độ song công FDD TDD Cấu trúc kênh RF đường Lan truyền trực tiếp xuống Tốc độ chip 3.84Mbps Độ rộng khung 10ms Điều chế trải phổ Cân QPSK (spreading modulation) (đường xuống) kênh kép QPSK (đường lên) Điều chế liệu QPSK (Đường xuống) BPSK (Đường lên) Mã hóa kênh Mã xoắn mã turbo Phát kết hợp Người dùng kênh hoa tiêu chuyên dụng ghép theo thời gian (UL(up link) DL(Down link)) kênh hoa tiêu chung DL Ghép kênh đường xuống Ghép kênh theo thời gian kênh điều khiển kênh liệu Ghép kênh đường Ghép kênh theo thời gian kênh điều khiển lên kênh hoa tiêu Ghép kênh I &Q cho kênh liệu kênh điều khiển Nhiều giá trị Biến đổi trải phổ đa mã Hệ số trải phổ 4-256 UL 4512DL Điều khiển cơng suất Vịng hở vịng kín nhanh (1.6Khz) Trải phổ (spreading) (DL) Chuỗi OVSF cho tách kênh chuỗi Gold 218-1 dùng cho tách cell tách người sử dụng Trải phổ (spreading )(UL) Chuỗi OVSF chuỗi Gold 241 dùng cho tách người sử dụng Chuyển giao Chuyển giao mềm chuyển giao cứng nội tần 1.3 Các kỹ thuật dùng 3G 1.3.1 Điều khiển công suất 1.3.1.1 Ý nghĩa điều khiển công suất Việc điều khiển công suất đưa vào để giải vấn đề “gần – xa” để tăng tối đa dung lượng hệ thống Điều khiển công suất điều khiển suất phát từ thuê bao cho công suất thu thuê bao trạm gốc Do công suất phát máy thấp nên làm tăng tuổi thọ pin 1.3.1.2 Phân loại điều khiển công suất Khi xét đến hệ thống điều khiển công suất thực tế ta cần ý xem xét mặt sau: * Tiêu chuẩn chất lượng * Những phép đo * Thời gian trễ Dựa vào tiêu chí đặt để phân loại điều khiển công suất người ta phân việc điều khiển cơng suất làm loại là: Điều khiển cơng suất vịng hở điều khiển cơng suất vịng kín 1.3.1.2.1 Điều khiển cơng suất vịng hở 1.3.1.2.1.1 Điều khiển cơng suất vịng hở đường lên Chức PC (Power Control) thực đầu cuối UTRAN Chức đòi hỏi số thông số điều khiển phát quảng bá ô công suất mã tín hiệu thu RSPC (Received Signal Code Power) đo UE (User Equipment) P-CPICH (Primary Common Pilot Channel) tích cực 1.3.1.2.1.2 Điều khiển cơng suất vịng hở đường xuống Trên đường xuống, PC vịng hở để thiết lập cơng suất khởi đầu kênh đường xuống sở báo cáo đo đạc từ UE Chức thực UE UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network) 1.3.1.2.2 Điều khiển cơng suất vịng kín 1.3.1.2.2.1 Điều khiển cơng suất vịng đường lên Điều khiển cơng suất vịng đường lên sử dụng để thiết lập công suất DPCH (Dedicated Physical Channel) CPCH (Common Physical Chanel) đường lên Node B nhận SIR đích từ UL PC vịng ngồi RNC so sánh với SIR ước tính ký hiệu hoa tiêu DPCCH (Dedicated Physical Control Chanel ) đường lên khe Nếu SIR thu lớn SIR đích, Node B phát lệnh “hạ thấp” đến UE, ngược lại Node B phát lệnh “tăng thêm” đến UE DPCCH đường xuống 1.3.1.2.2.2 Điều khiển cơng suất vịng đường xuống UE nhận BLER (block error rate) đích RNC (Radio Network Controller) thiết lập cho DL PC vịng ngồi với thông số điều khiển khác UE so sánh SIR ước tính với SIR đích Nếu ước tính lớn đích, UE phát lệnh TPC “giảm phát đường xuống” đến Node B, ngược lại phát lệnh TPC “tăng” đến Node B 1.3.1.2.2.3 Điều khiển cơng suất vịng ngồi đường lên UL PC vịng ngồi thực SRNC (Serving Radio Network Controller) để lập SIR đích Node B cho UL PC vịng SIR đích cập nhật cho UE dựa ước tính chất lượng đường lên (BLER BER) cho kết nối RRC(Radio Resource Control) 1.3.1.2.2.4 Điều khiển cơng suất vịng ngồi đường xuống DL PC vịng ngồi thực UE, giá trị SIR đích cho DL PC vịng điều chỉnh UE cách sử dụng thuật toán riêng đảm bảo chất lượng đo (BLER) giống chất lượng đích RNC thiết lập 1.3.2 Kỹ thuật chuyển giao 1.3.2.1 Khái quát kỹ thuật chuyển giao mạng di động Các mạng di động cho phép người dùng truy cập dịch vụ di chuyển để giúp khách hàng di chuyển cách thoải mái mà sử dụng dịch vụ nên đòi hỏi chuyển giao vùng thiết bị người sử dụng để đảm bảo tính liên tục dịch vụ không dây người sử dụng điện thoại di động di chuyển qua vùng biên giới trạm thu phát sóng Kể từ giới thiệu Công nghệ CDMA, ý tưởng đề xuất để cải thiện việc chuyển giao trình chuyển giao mềm 1.3.2.2.Các loại chuyển giao hệ thống 3G – WCDMA Có loại chuyển giao hệ thống thơng tin di động WCDMA Đó là:  Chuyển giao nội hệ thống Chuyển giao hệ thống chuyển giao xảy vịng hệ thống chia thành loại chuyển giao tần số chuyển giao liên tần số  Chuyển giao liên hệ thống Chuyển giao liên hệ thống nơi tế bào có tế bào có công nghệ công nghệ truy cập vô tuyến khác (RAT) chế độ truy nhập vô tuyến khác (RAM) Quyết định chuyển giao trễ giảm thiểu đáng kể  Chuyển giao cứng (HHO) HHO loại thủ tục HO tất đường liên kết vô tuyến cũ điện thoại di động phát trước đường liên kết vô tuyến thành lập Chuyển giao cứng xảy số trường hợp như: chuyển giao từ cell sang cell khác hai cell có tần số sóng mang khác từ cell sang cell khác cell nối đến RNC khác không tồn giao diện Iur hai RNC này.chuyển giao cứng gồm : + Chuyển giao cứng tần số +Chuyển giao cứng khác tần số  Chuyển giao mềm mềm Chuyển giao mềm loại phương tiện chuyển giao đặc trưng CDMA thực hệ thống UMTS tạo thành tính đặc trưng phương pháp truy cập WCDMA Chuyển giao mềm mềm xảy trạm di động có chồng chéo cell lân cận Trong trường hợp trạm di động chuyển giao mềm vùng phủ sóng cell khu vực chồng chéo lên thuộc trạm gốc khác Chuyển giao mềm nơi mà trạm gốc nhận tín hiệu người dùng từ hai khu vực liền kề mà phục vụ 1.4.Kết luận chương Trong chương tìm hiểu lịch sử phát triển thông tin di động lý cần phải phát triển hệ thông tin di động hệ thứ để đáp ứng nhu cầu người sử dụng Qua chương nắm số phương pháp kỹ thuật áp dụng 3G nằm nâng cao tính hiệu dịch vụ Trong chương tiếp theo, tìm hiểu cụ thể cấu trúc cụ thể mạng 3G ( cụ thể mạng WCDMA) số kỹ thuật mã hóa mạng Chương CÁC KỸ THUẬT MÃ HÓA TRONG 3G Trong thơng tin di động 3G, kỹ thuật mã hóa đóng vai trị hết súc quan trọng Nó làm cho việc truyền tải tín hiệu trở nên thuận tiện, làm giảm xác suất lỗi q trình truyền tín hiệu tăng tốc độ làm giảm băng thơng Trong chương sâu vào trình bày sơ đồ khối tín hiệu thơng tin di động 3G (WCDMA) lớp vật lý WCDMA để làm bật chức lớp vật lý, qua đưa kỹ thật mã hóa thường sử dụng thông tin di động 3G 2.1 Sơ đồ khối 3G (WCDMA) 2.1.1 Mơ hình cấu trúc Mơ hình cấu trúc WCDMA mơ tả hình 2.1 Hình 2.1 Mơ hình cấu trúc hệ thống WCDMA Nó bao gồm +UE (User Equipment) UE gồm phần: - Thiết bị di động (ME: mobile Equipment): đầu cuối vô tuyến sử dụng cho thông tin vô tuyến giao diện Uu - Module nhận dạng thuê bao UTMS ( USIM): thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng thuê bao, thực thuật tốn nhận thực, lưu giữ khóa nhận thực số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối + UTRAN (UMTS: Universal Terestrial Radio Access Network) Mạng truy cập vơ tuyến có nhiệm vụ thực chức liên quan đến truy cập vô tuyến UTRAN gồm hai phần tử: Node B RNC + CN (Core Network) Các phần tử lõi mạng gồm: -Kênh điều khiển vật lý riêng ( CPCCH ) + Kênh UPCH chung: -Kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý(PRACH) -Kênh gói chung vật lý(PCPCH) * Kênh vật lý đường xuống(DPCH) +Kênh DPCH riêng +Kênh DPCH chung -Kênh hoa tiêu chung(CPICH) -kênh vật lý điều khiển chung – sơ cấp(P-CCPCH) -Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp(S-CCPCH) -Kênh đồng (SCH) -Kênh vật lý đường xuống dùng chung (PDSCH) -Kênh thị bắt (AICH) -Kênh thị tìm gọi (PICH) 2.2.1.2.Các kênh truyền tải Các kênh truyền tải có hai loại kênh truyền tải chung kênh truyền tải riêng Điểm khác chúng kênh chung tài nguyên chia sẻ cho tất nhóm người cell, cịn kênh riêng tài nguyên ấn định cho người dung *Kênh truyền tải riêng Kênh truyền tải riêng mang thông tin từ lớp lớp vật lý riêng cho UE Bao gồm số liệu cho dịch vụ thời thông tin điều khiển lớp cao Các kênh riêng hỗ trợ chuyển giao mềm * Kênh truyền tải chung + Kênh quảng bá (BCH) + Kênh truy cập đường xuống (FACH): + Kênh tìm gọi (PCH) + Kênh truy cập ngẫu nhiên (RACH + Kênh gói chung đường lên (CPCH) + Kênh đường xuống dùng chung (DSCH) 2.2.2 Chức lớp vật lý 2.2.2.1.Chức lớp vật lý * Xử lý kênh vật lý + Ghép kênh theo thời gian liệu điều khiển bít + Điều chế NRZ Nó bao gồm kết hợp tín hiệu băng gốc với thơng tin bit đến từ bước trước + Chuyển đổi nối tiếp-song song Nó sử dụng đường xuống tất kênh (ngoại trừ SCH) để kết hợp cặp liên tiếp ký hiệu "I" "Q" + Lan truyền tín hiệu Nó bao gồm q trình kênh hóa xáo trộn + Ghép kênh vật lý Nó tổng hợp chức kênh ghép lại Trong đường lên, sử dụng cho kênh DPDCHs kênh DPCCH + Điều chế analog Nó bao gồm chuyển tín hiệu tần số khoảng 2GHZ mơi trường truyền khơng khí * Điều khiển cơng suất 2.2.2.2 Chức lớp truyền tải Các liệu đến lớp truyền tải hình thức khối truyển tải khoảng thời gian truyền dẫn Điều phụ thuộc kênh truyền tải cụ thể có giá trị từ 10, 20, 40 80 ms * Bổ sung CRC: CRC (Cyclic Redundancy Check) hình thành tập hợp bit thêm vào khối truyển tải với mục đích để phát lỗi * Mã Hóa Kênh: Mục đích mã hóa kênh để bảo vệ thông tin chống lại rối loạn kênh (tiếng ồn, nhiễu, vv ) để cải thiện chất lượng truyền dẫn Bảng 2.2 Mã Hóa kênh Kênh truyền tải Mã hóa kênh Tốc độ mã hóa BCH Mã chập 1/2 PCH RACH CPCH, DCH, DSCH, FACH 1/3, 1/2 Mã hóa turbo 1/3 Khơng có giải mã * Cân khung vô tuyến: Cân khung vô tuyến bao gồm làm đầy lên chuỗi bit đầu vào để đảm bảo đầu phân đoạn số phân đoạn liệu tách rời có kích thước khối phân đoạn khung vô tuyến * Phân đoạn khung vô tuyến: Khi khoảng thời gian truyền dẫn tốt 10 ms (kích thước khung), chuỗi bit đầu vào phân đoạn gắn với khung vô tuyến liên tục * Tốc độ thích nghi phù hợp: Nó phục vụ để thích nghi tốc độ nhị phân gốc kênh truyền tải tốc độ nhị phân kênh vật lý * Ghép kênh truyền tải: Mã hóa kênh truyền tải ghép kênh nối tiếp tương tự thế, thời điểm khung vô tuyến * Phân đoạn đoạn kênh vật lý: Khi sử dụng nhiều kênh vật lý, khối có bít phân chia kênh vật lý khác * Sắp xếp kênh vật lý: Các bit gắn với kênh vật lý kênh vật lý bit truyền theo cấp bậc tăng dần 2.3 Các kỹ thuật mã hóa 3G 2.3.1 Mã Vịng Mã khối loại mã chia dịng thơng tin thành khối tin có k bit Mỗi tin biểu diễn khối k thành phần nhị phân u = (u1, u2, …, uk), u gọi vector thơng tin Có tổng cộng 2k vector thơng tin khác Bộ mã hóa chuyển vector thơng tin u thành n thành phần v= (v1, v2 ,…,vn) gọi từ mã Mã vòng phương pháp mã hóa cho phép kiểm tra độ dư vòng (CRC-cyclic Redundance Check ) thị chất lượng khung khung tin Mã hóa vịng dạng hệ thống gồm bước : + Nhân đa thức thông tin u(x) với xn-k + Chia xn-k.u(x) cho đa thức sinh g(x), ta phần dư b(x) + Hình thành chia từ mã b(x)+xn-k Tất bước thực mạch chia với ghi dịch (n-k) tầng có hàm hồi tiếp tương ứng với đa thức sinh g(x) Nguyên lý hoạt động: Bước 1: Cổng đóng cho thơng tin qua mạch, k chữ số thơng tin u0,u1…uk dịch vào từ mạch từ thiết bị đầu cuối để nhân trước u(x) với xn-k sau thơng tin đưa vào mạch n-k chữ số lại ghi số kiểm tra chẵn lẻ Bước 2: Cắt đứt đường hồi tiếp cách điều khiển cho cổng gi hở (không cho thông tin qua) Bước 3: Dịch số kiểm tra chẵn lẻ đưa đường truyền Các chữ số kiểm tra kết hợp với k chữ số thông tin tạo thành vector mã Hình 2.5 Sơ đồ mã hóa mạch vịng với đa thức sinh g(x) = 1+g1x+g2x2+…+gn-k-lxn-k-l+…+xn-k 2.3.2 Mã xoắn Ví dụ mã xoắn NSC hình 2.6, liệu đầu vào từ bên trái {Xi} lưu trữ ghi dịch tuyến tính (D), lần bit liệu đầu vào dịch sang bên phải ghi dịch, có bit đầu {Z1, i Z2, i} tính tốn mạch XOR, bit lưu trữ ghi dịch thay đổi theo liệu đầu vào Và tốc độ mã hóa r = ½ độ dài ràng buộc K số bit đầu vào lớn mà bit đầu phụ thuộc vào, trường hợp K = Hình 2.6 Bộ mã xoắn không hệ thống với tốc độ 1/2 Bộ mã xoắn hình 2.6 khơng hệ thống, có nghĩa bit đầu vào mã hóa khơng xuất đầu Như từ mã chứa bit piraty tách thành liệu riêng biệt parity mong muốn mã Turbo Thay vào mong muốn mã hóa hệ thống, có đầu vào xuất đầu Khi từ mã đầu phân thành thành phần liệu parity Như hình 2.7 mã xoắn hệ thống đệ quy tạo từ NSC sử dụng đường phản hồi từ hai đầu đưa đầu vào (đường phản hồi làm cho có tính đệ quy) Khi đầu parity đưa đầu vào đầu parity khác cần truyền Điều cho phép liệu đầu vào truyền với đầu parity, tốc độ mã hóa trì r = ½ Hình 2.7 Mã xoắn hệ thống đệ quy với tốc độ ½ sử dụng cho mã Turbo theo chuẩn UMTS 2.3.3 Mã hóa turbo Q trình mã hóa trình bày cụ thể chương 2.4.Kết luận chương Trong chương tìm hiểu cấu trúc tổng quát mạng di động 3G ( WCDMA) lớp vật lý thông tin di động 3G (WCDMA) gồm cấu trúc chức chúng Qua số phương pháp nâng cao hiệu chất lượng 3G thực lớp vật lý cụ thể phương pháp mã hóa Trong chương trình bày số phương pháp mã hóa để làm bật mã turbo ứng dụng 3G trình bày cụ thể chương sau Chương MÃ TURBO TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G(WCDMA) Mã Turbo giới thiệu vào năm 1993 gồm mã xoắn đệ quy kết nối song song , phân biệt nhờ xáo trộn ( interleaver) giả ngẫu nhiên thuật toán giải mã lặp với chất lượng tiến tới giới hạn Shannon khoản vài phần mười dB Hiện nay, mã turbo sử dụng thông tin di động hệ thứ 3, 4, thông tin vệ tinh, truyền thơng vũ trụ…trong chương trình bày đời mã turbo, trình mã hóa giải mã turbo ứng dụng khoa học kỹ thuật ngày Phần cuối chương trình bày phương pháp cải thiện chất lượng mã turbo thông tin di động 3G phần mô để thấy tối ưu mã turbo thông tin di động 3G so với mã khác 3.1 Sự đời mã Turbo Các mã turbo lần giới thiệu vào năm 1993 Bernou, Glavieux Thitimajshima, đưa giản đồ xác suất lỗi hàm E b/N0 số lần lặp Ở giản đồ mô tả thành tựu chúng với xác suất lỗi bit 10-5 , sử dụng tốc độ ½ qua kênh nhiễu trắng (AWGN – kênh có mật độ phổ cơng suất trải ) điều chế BPSK có tỉ số Eb/N0 = 0.7 dB 3.2 Sơ đồ mã hóa turbo UMTS Bộ mã hóa sử dụng cho UMTS mã turbo với độ dài ràng buộc mã hóa RSC K = Như hình 3.1 đầu mã turbo UMTS kết hợp bit hệ thống {Xi}, giá trị đầu tương ứng mã hóa {Zi} giá trị đầu tương ứng mã hóa thứ hai {Z’i} Như vậy, tốc độ mã hóa xấp xỉ r = 1/3 Kích thước liệu đầu vào thay đổi khoảng từ 40 bit đến 5114 bit Các xáo trộn có kích thước phù hợp với từ mã đầu vào Trước mã hóa, hai mã hóa thành phần khởi tạo giá trị ban đầu Sau mã hóa có k bit đầu vào, mã hóa có trạng thái khác Tuy nhiên giải mã thực tốt nhiều biết khơng trạng thái ban đầu mà trạng thái cuối Như cần biết trạng thái cuối sau mã hóa tồn liệu đầu vào Một lựa chọn đơn giản sử dụng trạng thái tồn mã hóa cần chuyển trạng thái tồn cho mã hóa với từ mã Hình 3.1 Mã hóa Turbo theo chuẩn UMTS Trong UMTS mã hóa hình 3.1 đạt cách thay đổi vị trí chuyển mạch từ vị trí xuống sau k bit đầu vào mã hóa Chú ý xáo trộn, trạng thái hai mã hóa khác bit cần thiết cho mã hóa khác Như vậy, cụm bit phát không bit đuôi {Xk+1, Xk+2, Xk+3} tương ứng với mã hóa phía mà cịn bit {X’k+1, X’k+2, X’k+3} tương ứng với mã hóa phía Khi thêm bit đuôi vào tương ứng với bit tương đương từ mã {Zk+1, Zk+2, Zk+3} {Z’k+1, Z’k+2, Z’k+3} phát tốc độ mã hóa thực tế nhỏ 1/3 Trong thực tế tốc độ mã hóa r=k/(3k+12) Tuy nhiên k lớn, bit đuôi thêm vào không đáng kể 3.3 Giải mã Turbo theo chuẩn UTMS Sau mã hóa n bit ghép vào khung, sau điều chế truyền kênh truyền giải mã Ui tương ứng với bit mã hóa điều chế (có thể bit hệ thống parity) Yi tương ứng tín hiệu nhận Chú ý Ui 1, Yi nhận giá trị Hay nói cách khác Ui giá trị cứng, Yi giá trị mềm Các giá trị nhận cho bit hệ thống parity đưa vào LLR tương ứng đầu vào giải mã Turbo hình 3.2 Các đầu vào R(Z1, i) R(Z’1,i) giá trị LLR tương ứng với đầu parity nhánh (Zi) nhánh (Z’i) mã hóa hình 3.2 Đầu vào R(Z2, i) R(Z’2, i) đặt Với bit liệu Xi, giải mã Turbo phải tính giá trị LLR sau:  ( X i )  ln P ( X i  | Y1 Yn ) P ( X i  | Y1 Yn ) (3.2) Giá trị LLR so sánh với khả bit liệu thực tế với xác suất toàn từ mã nhận (Y1 Yn) Khi LLR tính tốn, định cứng cho Xi thực cách so sánh đơn giản LLR với 0, có nghĩa  ( X i )  ước lượng bit Xˆ i   ( X i )  ước lượng bit Xˆ i  W (X i ) V1 ( X i ) R( X i ) 1 ( X i ) R( Z1, i ) R(Z '1, i ) V2 ( X i ) V2 ( X 'i ) Xˆ i  ( X 'i )  (X i ) Hình 3.2 Cấu trúc giải mã turbo theo chuẩn UMTS Các giải mã Turbo sử dụng từ mã nhận với thông tin cấu trúc mã hóa để tính tốn ( X i ) Tuy nhiên, xáo trộn làm phức tạp cấu trúc mã này, khơng có khả tính tốn ( X i ) đơn giản cách sử dụng xử lý xác suất Việc tính tốn ước lượng LLR sử dụng cấu trúc mã hóa phía  ( X i ) mã hóa phía  ( X i ) Mỗi lần thực ước lượng LLR tính tốn sử dụng trình xử lý đầu vào mềm đầu mềm (SISO) Như xử lý SISO đưa giá trị LLR đầu thành đầu vào xử lý SISO thứ ngược lại (sau thực xáo trộn giải xáo trộn), Bởi cần phải thay đổi đổi thông tin phản hồi xử lý, thuật toán giải mã Turbo lặp lặp lại Sau lần lặp giải mã Turbo cho kết ước lượng liệu tốt lần lặp cải thiện hiệu suất so với trước 3.4 Bộ xử lý SISO Quan trọng giải mã Turbo thuật tốn sử dụng để thực q trình xử lý SISO Các thuật toán SISO sử dụng sơ đồ lưới để biểu diễn cho tất dãy xẩy với trạng thái mã hóa Đặc biệt, mắt lưới tạp trạng thái xẩy mã RSC chu kỳ xung thứ i, i nhận giá trị từ đến k+3 (giả sử bit đuôi) mã hóa RSC sử dụng UMTS có phần tử nhớ, số lượng trạng thái mã hóa thời điểm 8, mã hóa chuyển xung nhịp từ thời điểm i sang i +1 thực trình chuyển đổi trạng thái từ trạng thái sang trạng thái khác Các kết nối trạng thái gọi nhánh trạng thái thời điểm i+1 nhận từ trạng thái thời điểm i, trạng thái thời điểm i có nhánh, nhánh tương ứng với đầu vào Xi = nhánh lại tương ứng với đầu vào Xi = Mỗi từ mã khác tương ứng với đường xác định thông qua mắt lưới Ở đường nét liền tương ứng với bit đầu vào đường nét đứt tương ứng với bit liệu đầu vào Q trình qt thực độc lập cách sử dụng hai thuật toán là: thuật toán Viterbi đầu mềm (SOVA) thuật toán MAP Nhìn chung thuật tốn SOVA phức tạp thuật toán MAP hiệu thực 3.5.Các ứng dụng mã turbo Mã turbo nhận quan tâm nhà nghiên cứu truyền liệu gần với giới hạn Shannon Việc mã hóa sử dụng nhiều ứng dụng lưu trữ liệu, truyền thông hữu tuyến, truyền thông không dây, hệ thống thông tin di động hệ thứ 3, truyền thông vệ tinh, viễn trắc thông tin liên lạc vũ trụ… *Hệ thống lưu trữ liệu Mã turbo áp dụng để ghi quang học giảm thiểu tỉ lệ lỗi bit Do mã có khẩ sửa lỗi hiệu so với mã trước sử dụng cụ thể mã RS mã RLL giúp trình đạt BER khoảng 10-12 thấp Hiện có nhiều nghiên cứu lưu trữ liệu quang sử dụng mã turbo nhằm nâng cấp dung lượng lưu trữ đĩa DVD lên 25GHz cách sử dụng độ số (NA)0.85 bước sóng 405nm Tác động mã turbo lên ổ cứng lưu trữ liệu việc cải thiện tốc độ truyền dẫn tỉ lệ lỗi bit thấp.Với tỉ lệ lỗi bit nhỏ khả truyền tải nhiều liệu kênh truyền, truyền nhiều liệu thời gian * Hệ thống truyền thông cố định Mã turbo áp dụng cho hệ thống truyền tải sử dụng điều chế đa sóng mang modem ADSL với công nghệ đa âm rời rạc (Discrete Multi-tone technology) (DMT) Với mã turbo, cải thiện băng thơng tín hiệu có độ lợi mã hóa cao Các mã hóa turbo giải mã turbo ADSL sơ đồ sử dụng hai chèn Bộ chèn thêm để giảm thiểu tác động tiếng ồn kênh thiết kế chèn phải cung cấp khoảng lớn cho chuỗi đầu vào để cải thiện hiệu suất sửa lỗi Mã turbo cải thiện chất lượng dịch vụ xDSL cách cải thiện độ lợi mã hóa giảm tỉ lệ lỗi bít *Inmarsat Dịch vụ đa phương tiện Inmarsat dịch vụ dựa mã Turbo 16QAM cho phép người sử dụng giao tiếp với chùm vệ tinh Inmarsat-3 từ máy tính xách tay có kích thước thiết bị đầu cuối 64 kbit/s Cơng nghệ băng hẹp dựa 16QAM mã hóa turbo cung cấp giảm đáng kể (> 50%) băng thông cần thiết cho kênh vệ tinh di động đồng thời tăng hiệu cơng suất vệ tinh * DVB Mã hóa turbo cho phép truyền tốc độ liệu bit từ 144 kbit/s đến Mbit/s sử dụng vịng trịn đơi nhị phân đệ quy có hệ thống mã xoắn thành phần (CRSC) Nó xử lý gói tin ATM (53 byte) MPEG (188 bytes), kích thước khối thực tế biến đổi từ 12 đến 216 byte *Truyền thơng Vũ trụ Có thể ứng dụng thích hợp mã Turbo truyền thông vũ trụ ( deep-space) Điều trước hết sử dụng xen kẽ lớn tối đa hóa mã hóa turbo mà khơng cần quan tâm đến độ trễ Thứ hai, nhiều hai mã hóa sơ cấp kết hợp theo nhiều cách để tạo mã turbo tốc độ thấp mạnh mà độ phức tạp tăng không đáng kể * Trong Thông tin di động 3G: Trong công nghệ 3G, mã turbo sử dụng tiêu chuẩn kênh mã khả đạt tốc độ mã hóa cao hơnvà giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit giải mã Sử dụng mã Turbo công nghệ 3G đảm bảo thông lượng lớn BER tỷ lệ nhỏ 3.6 Ưu điểm nhược điểm mã Turbo Mã Turbo dùng làm tăng tốc độ liệu mà không làm tăng công suất truyền liệu, chúng dùng để giảm công suất sử dụng để truyền tải với tốc độ liệu định Hạn chế chúng việc giải mã tương đối phức tạp độ trễ tương đối cao làm cho chúng khơng thích hợp số ứng dụng Đối với ứng dụng vệ tinh, điều mối quan tâm lớn, khoảng cách truyền dẫn lớn cho phép có độ trễ tốc độ truyền hữu hạn 3.7 Cải thiện chất lượng mã Turbo 3G Mã Turbo sử dụng hoán vị bit nguyên tắc giải mã lặp sơ đồ đơn giản hơn, đạt tỷ lệ lỗi bit thấp Sơ đồ mã Turbo đơn giản có hiệu sử dụng phổ không cao nhanh xuất sàn lỗi Nhằm nâng cao hiệu sửa lỗi, TTCM sử dụng hoán vị symbol Robertson Worz giới thiệu năm 1995, tăng thêm mã thành phần sơ đồ máy mã Tuy nhiên sơ đồ phức tạp Để khắc phục hai hạn chế sơ đồ Turbo đơn giản hóa mặt thiết kế so với TTCM, thực sơ đồ Turbo kết hợp điều chế đa mức để nâng cao hiệu sử dụng băng thông Chúng ta thấy sơ đồ mã hóa Turbo đơn giản kết hợp với điều chế 4PSK cho phép cải thiện đáng kể phẩm chất theo BER, đồng thời tăng hiệu sử dụng phổ tính theo số bit/sec/Hz 3.7.1 Mơ hình hệ thống Hình 3.7 mơ tả sơ đồ khối (cũng sơ đồ mô MatLab Simulink) hệ thống mã Turbo kết hợp với điều chế 4PSK Chuỗi bít tin giả định tạo từ nguồn Bernoulli với xác suất ‘0’ ‘1’ Máy mã Turbo bao gồm hai máy mã chập hệ thống đệ quy (Recursive Systematic Convolutional – RSC) với tỷ lệ mã hóa / , liên kết song song thơng qua hốn vị bít Các bít đầu máy mã RSC bị loại bỏ xen kẽ (puncturing) để giữ lại bít dư ( p1 cho máy mã thứ p2 cho máy mã thứ hai) Cùng với chuỗi bít tin S , đầu máy mã Turbo có chuỗi ba bít ( S , P1 , P2 ) , tỷ lệ mã hóa R  1/ Mặc dù cặp chuỗi bít ( S , P1 ) tương quan đầu máy mã chập, nhờ có hốn vị bít mà ta hai cặp chuỗi bít không tương quan ( S , P2 ) ( P1 , P2 ) Nếu tiến hành diều chế 4PSK cặp chuỗi bít cách độc lập theo luật Label_A Label_B lồng ghép chuỗi symbol sau điều chế lại thành chuỗi tín hiệu phát kết ta có chuỗi symbol 4PSK độc lập để truyền qua kênh tạp âm Gao-xơ trắng cộng tính (Additive White Gaussian Noise – AWGN) Hiệu sử dụng phổ tổng thể hệ thống / bit/sym, hay / bit/sec/Hz Tốc độ thấp so với điều chế BPSK khơng mã hóa (1 bit/sec/Hz) cao so với mã Turbo với điều chế BPSK ( / bit/sec/Hz) Ở đầu thu, chuỗi symbol thu đưa tới hai giải điều chế mềm tín hiệu 4PSK, nhằm tính giá trị tỷ lệ hợp lẽ theo hàm log (Log-Likelihood Ratio – LLR) chuỗi ba bít ( S , P1 , P2 ) Đồng với symbol phát đi, symbol lẻ dùng để tính giá trị LLR cho cặp bít ( S , P2 ) , cịn symbol chẵn dùng để tính giá trị LLR cho cặp bít ( P1 , P2 ) Ta thấy có hai chuỗi giá trị LLR cho bít p2 , symbol truyền qua kênh AWGN độc lập nên giá trị LLR bít p2 cộng lại (tính theo xác suất nhân với nhau) Các giá trị LLR coi quan trắc kênh dùng để giải mã Turbo theo thông thường Dưới điều khác biệt sơ đồ đề xuất so với sơ đồ giả mã Turbo truyền thống Đầu cập nhật giá trị LLR cho bít mã ( S , P2 ) (đầu L(c) ) giải mã đầu vào mềm – đầu mềm (Soft-Input Soft-Output – SISO) thứ dựa khối giải mã theo xác suất hậu nghiệm (A Posteriori Probability – APP) Benedetto et al , dùng để cung cấp thông tin tiên nghiệm cho giải điều chế bít p2 Đầu cập nhật giá trị LLR cho bít mã P2 (đầu L(c) ) giải mã đầu vào mềm – đầu mềm (Soft-Input Soft-Output – SISO) thứ hai dùng để cung cấp thông tin tiên nghiệm cho giải điều chế bít s p1 S In1 Out P2 In2 O P1 E In1 Out In2 P2 L u  L u  L u  L u  O Out1 In1 L c  L c  L c  L c  E Out In2 In1 Out In2 z SCCC_len z SCCC_len Hình 3.7 Sơ đồ khối hệ thống mã Turbo kết hợp với điều chế 4PSK Các luật điều chế Label_A Label_B sử dụng hai ánh xạ SP (Set Partitioning – Phân hoạch tập) Gray Ánh xạ phân hoạch tập phân biệt thành SP1 SP2, khác hốn đổi vị trí hai bít nhãn nhị phân điểm tín hiệu 4PSK Quy luật ánh xạ thể qua chịm tín hiệu Hình 3.8 bảng ánh xạ 01 10 00 10 11 01 10 00 11 00 11 01 A2 A3 B2 A1 B3 B1 B4 A4 Hình 3.8 Các luật mã hóa chịm tín hiệu 4PSK Bảng 3.1 Kết ánh xạ bít đầu máy mã Turbo thành cặp tín hiệu 4PSK Gray SP1- Gray SP2- Gray SP1 P2 SP2 P1 P2 SP1 SP2 – – -Gray Gray -SP1 Gray -SP2 SP1 SP2 000 0000 A1B1 A1B1 A1B1 A1B1 A1B1 A1B1 A1B1 001 0101 A2 B2 A3 B3 A4 B4 A2 B4 A4 B2 A3 B4 A4 B3 010 0010 A1B3 A1 B2 A1 B2 A1 B2 A1B3 A1 B2 A1 B2 011 0111 A2 B4 A3 B4 A4 B3 A2 B3 A4 B4 A3 B3 A4 B4 100 000 A3 B1 A2 B1 A2 B1 A3 B1 A2 B1 A2 B1 A2 B1 101 1101 A4 B2 A4 B3 A3 B4 A4 B4 A3 B2 A4 B4 A3 B3 110 1010 A3 B3 A2 B2 A2 B2 A3 B2 A2 B3 A2 B2 A2 B2 111 1111 A4 B4 A4 B4 A3 B3 A4 B3 A3 B4 A4 B3 A3 B4 3.7.2 Kết mơ Hình 3.9 thể đường cong BER dùng để so sánh phẩm chất hệ thống trường hợp luật ánh xạ Label_A Label_B sử dụng ánh xạ ánh xạ SP1 ánh xạ Gray Trong tổ hợp ánh xạ SP1 Gray ánh xạ Label_A = SP1 Label_B = Gray có BER nhỏ tỷ lệ tín tạp (Signal-to-Noise Ratio – SNR) tính theo Eb / N (dB), nhiên sớm xuất sàn lỗi Trường hợp ánh xạ Label_A = Gray Label_B = SP1 đạt sàn lỗi muộn sàn lỗi thấp Trường hợp hai luật ánh xạ sử dụng ánh xạ Gray tương đương với trường hợp điều chế BPSK, khác với hiệu sử dụng phổ cao Trường hợp hai luật ánh xạ sử dụng So sánh với BPSK, ta thấy hiệu sử dụng phổ sơ đồ 4PSK cao hơn, BER với ánh xạ SP1, SP2 tốt so với BPSK Khi sử dụng ánh xạ Gray thì, SNR đủ lớn, phẩm chất hệ thống Turbo với 4PSK tiến tới phẩm chất hệ thống với điều chế BPSK Hình 3.9 So sánh BER sơ đồ mã turbo 3G cải tiến với điều chế 4PSK, tốc độ ½ bit/giây/Hz Sơ đồ Turbo với việc tăng tính độc lập bit trước ánh xạ lên symbol đạt BER thấp SNR nhỏ, đồng thời sử điều chế 4PSK làm tăng hiệu sử dụng phổ Có thể tăng hiệu sửa lỗi sơ đồ cách tăng kích thước Interleaver, số lần lặp lựa chọn cặp ánh xạ cho Label_A Label_B phù hợp Kết cho thấy sử dụng hai loại ánh xạ khác tính độc lập cao hơn, BER thấp Trong cách ghép Gray – SP1 Gray – SP2 cho kết khả quan với BER  107 1dB 3.8.Kết luận chương Qua chương tìm hiểu mã turbo: lịch sử đời mã, mã hóa giả mã turbo ứng dụng ưu nhược điểm mã turbo Chương trình bày cải thiện chất lượng mã turbo dựa vào sơ đồ mã hóa Turbo đơn giản kết hợp với điều chế 4PSK Việc cho phép cải thiện đáng kể phẩm chất theo BER, đồng thời tăng hiệu sử dụng phổ tính theo số bit/sec/Hz KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu với giúp đỡ tận tình thầy giáo PGS-TS Đinh Thế Cường, với cố gắng nỗ lực thân, luận văn hoàn thành thời gian quy định đạt mục tiêu nghiên cứu đề với nội dung sau: Luận văn trình bày vấn đề lịch sử phát triển thông tin di động 3G cấu trúc mạng di động mà cụ thể WCDMA số kỹ thuật dùng để cải thiện chất lượng mạng WCDMA Trong luận văn vào tìm hiểu lớp vật lý kỹ thuật mã hóa WCDMA để từ tìm hiểu mã turbo thông tin di động 3G (WCDMA) Luận văn đưa phương pháp cải thiện chất lượng mã turbo để nâng cao hiệu sử dụng thông tin di động 3G Tôi cố gắng tập hợp kiến thức có từ hướng dẫn giáo viên, từ nguồn tài liệu cung cấp cách ngắn gọn đầy đủ Nhưng hạn chế thời gian khả thân, chắn luận văn không tránh khỏi sai sót tơi xin trân trọng tiếp thu ý kiến đóng góp thầy bạn quan tâm đến vấn đề để luận văn thêm hoàn thiện Trong thời gian tới, có điều kiện, đề tài phát triển thêm như: -Áp dụng mã turbo để nâng cao chất lượng truyền thông đa phương tiện - Thiết kế chèn để cải thiện chất lượng mã turbo Một lần xin trân thành cảm ơn thầy giáo PGS-TS Đinh Thế Cường thầy cô Trường Học viện công nghệ Bưu – viễn thơng tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận văn ... tin di động 3G Đây chương luận văn, chương trình bày cấu trúc mã hóa giải mã turbo Trong chương trình bày phương pháp để nhằm cải thiện chất lượng mã turbo thông tin di động 3G nhờ kết hợp mã turbo. .. Chương TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG Trong chương tìm hiểu lịch sử phát triển thông tin di động thông tin di động 3G số phương pháp làm tăng tính hiệu trình phát triển dịch vụ 3G như: điều khiển... bày số phương pháp mã hóa để làm bật mã turbo ứng dụng 3G trình bày cụ thể chương sau Chương MÃ TURBO TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G( WCDMA) Mã Turbo giới thiệu vào năm 1993 gồm mã xoắn đệ quy kết