2.2.2 Mã hóa kênh LDPC
2.2.2.1 Lựa chọn LDPC base graph
Chuỗi dữ liệu kênh PDSCH có độ dài A và coding rate R (tính toán dựa vào chỉ số MCS – tham khảo 5.1.3.1 chuẩn TS 38.214) được mã hóa với LDPC base graph 1 hoặc 2 theo nguyên tắc như hình 2.4 sau:
Hình 2.4 : lựa chọn base graph cho LDPC theo 3GPP 2.2.2.2 Phân đoạn mã hóa khối và chèn CRC
Giả sử chuỗi bit tuần tự đầu vào của bộ khối mã hóa segmentation được kí hiệu là b0,b1,b2,…,bB-1, với B > 0. Nếu B lớn hơn kích thước lớn nhất Z của khối khối mã
A R A < 292 R < 0.25 A < 3824 R < 0.67 BG2 BG2 BG1 BG2 FAIL
TRUE FAIL TRUE
35
hóa, quá trình phân đoạn khối bit đầu vào sẽ được thực hiện và đồng thời đính kèm đoạn mã CRC 24B vào từng khối khối mã hóa.
Kích thước lớn nhất của khối khối mã hóa cho LDPC base graph 1 là: Kcb = 8448 bit. Kích thước lớn nhất của khối khối mã hóa cho LDPC base graph 2 là: Kcb = 3840 bit. Ta định nghĩa tổng số các khối khối mã hóa được tạo ra là C được xác định qua thuật toán sau:
Hình 2.5: Thuật toán xác định tổng số Khối mã hóa
Số bit đầu ra từ mỗi phân đoạn khối mã hóa, với C ≠ 0, được kí hiệu là cr0,cr1,…,cr(Kr -1), với r là thự tự khối khối mã hóa và Kr là số lượng các bit trong khối khối mã hóa thứ r.
Hình 2.6: Phân đoạn khối truyền tải
Số lượng các bit trong khối khối mã hóa (chỉ áp dụng cho trường hợp C ≠ 0) được tính toán qua thuật toán sau:
Transport block L = 0 C = 1 B’ = B L = 24 C = éB /(Kcb -L)ù B’ = B + C* L B <= Kcb Y N
36
K’ = B’/C
Với LDPC Base graph 1: Kb = 22; Với LDPC Base graph 2:
Nếu B > 640 -> Kb = 10; Nếu B > 560 -> Kb = 9; Nếu B > 192 -> Kb = 8 Còn lại Kb = 6;
Tìm giá trị nhỏ nhất của Z trong tất cả kích thước lifting size trong bảng dưới đây mà Kb * Zc >= K’ và K = 22Zc cho LDPC base graph 1 và K = 10Zc cho LDPC base graph 2
Bảng 2.1: Bảng tham chiếu giá trị Z
Chỉ số (𝒊𝑳𝑺) Giá trị Z 0 {2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256} 1 {3, 6, 12, 24, 48, 96, 192, 384} 2 {5, 10, 20, 40, 80, 160, 320} 3 {7, 14, 28, 56, 112, 224} 4 {9, 18, 36, 72, 144, 288} 5 {11, 22, 44, 88, 176, 352} 6 {13, 26, 52, 104, 208} 7 {15, 30, 60, 120, 240}
(Nguồn : 3GPP.TS.38214 Physical layer procedure for data)
2.2.2.3 Mã hóa kênh qua LDPC
Chuỗi bit đầu vào của mỗi khối mã hóa ký hiệu là 𝑐%, 𝑐#, 𝑐$, 𝑐1, . . . , 𝑐2"#, K là chiều dài của khối mã hóa. Sauk hi được mã hóa LDPC ta được chuỗi 𝑑%, 𝑑#, 𝑑$, . . . , 𝑑3"#, với 𝑁 = 66𝑍4 cho LDPC base graph 1 và 𝑁 = 50𝑍4 cho LDPC base graph 2, 𝑍4 được tính toán trong mục segmentation cho LDPC.
Mã hóa LDPC được thực hiện theo các bước như sau: Bước 1: Tìm chỉ số index 𝑖56 ở Bảng 2.1 mà có𝑍4. Bước 2: Thực hiện thuật toán
37 for 𝑘 = 2𝑍4 to 𝐾 − 1 if 𝑐) ≠< 𝑁𝑈𝐿𝐿 > 𝑑)"$7! = 𝑐); else 𝑐) = 0; 𝑑)"$7! =< 𝑁𝑈𝐿𝐿 >; Bước 3: Tạo 𝑁 + 2𝑍4− 𝐾 bit chẵn lẽ 𝑤 = T𝑤%, 𝑤#, 𝑤$, . . . , 𝑤38$7!"2"#U9 mà 𝐻 × W𝑤X = 0𝑐 , với 𝑐 = [𝑐%, 𝑐#, 𝑐$, . . . , 𝑐2"#]9; 0 là vector cột mà tất cả phần tử bằng 0. Mã hóa thực hiện bởi GF(2). Với LDPC base graph 1, một ma trận HBG có 46 hàng chỉ số 𝑖 = 0,1,2, . . . ,45và 68 cột chỉ số 𝑗 = 0,1,2, . . . ,67. Với LDPC base graph 2, một ma trân HBG có 42 hàng chỉ số 𝑖 = 0,1,2, . . . ,41 và 52 columns chỉ số𝑗 = 0,1,2, . . . ,51. Phần tử trong HBG với hàng và cột cho LDPC base graph 1 và cho LDPC base graph 2 là bằng 1, và tất cả phần tử còn lại của ma trận HBG là bằng 0. Một ma trận H kích thước 𝑍4 × 𝑍4 được thay thế bởi mỗi phần tử trong ma trận HBG. Mỗi phần tử 0 trong HBG được thay thế bởi ma trận 0có kích thước 𝑍4 × 𝑍4
Mỗi phần tử 1 trong HBG được thay thế bởi ma trận hoán vị vòng tròn I9𝑃',;: kích thước 𝑍4× 𝑍4, với 𝑖 và 𝑗 là chỉ số hàng và cột, và I9𝑃',;: là ma trận dịch vòng được xác định từ ma trận I kích thước 𝑍4 × 𝑍4 dịch phải 𝑃',; lần. giá trị𝑃',; xác định 𝑃',; = 𝑚𝑜𝑑9𝑉',;, 𝑍4:. Giá trị 𝑉',; được đưa bởi Bảng 5.3.2-2 và 5.3.2-3 trong TS38.212 theo chỉ số 𝑖56 và LDPC base graph.
2.2.3 Phân mảnh dữ liệu
Giả sử chuỗi bit tuần tự đầu vào của bộ khối mã hóa segmentation được kí hiệu là𝑎%, 𝑎#, 𝑎$, 𝑎1, . . . , 𝑎<"#với A > 0 và A < 1706. Nếu 𝐼=>? = 1, cho phép segmentation, thì số lượng khối mã hóa: C = 2, nếu không số lượng khối mã hóa C = 1. Do vậy, khối mã hóa segmentation chỉ có ý nghĩa trong trường hợp 𝐼=>? = 1.
Nếu số lượng khối mã hóa C = 2, số lượng bit A không phải số chẵn thì bit 0 sẽ được chèn vào đầu của bit A, khi đó độ dài bit cho mỗi khối mã hóa sẽ là (A+1)/2. Sau đó chuỗi CRC sẽ được tính dựa vào tùy theo mỗi loại kênh truyền.
38
2.2.4 Rate Matching và chức năng HARQ
Khối rate matching cho LDPC chứa đựng bit được lựa chọn và bit xen kẽ. Chuỗi bit đầu vào khối rate matching là d0,d1,d2,...,dN -1. Chuỗi bit đầu ra sau khối rate matching là f0, f1, f2,..., fE-1. Khối rate matching thực hiện điều phối tốc độ sao cho dữ liệu đầu ra sau khối rate tham chiếu phù hợp với số lượng bit khả dụng trên lưới tài nguyên. Ngoài ra khối rate matching còn thực hiện xáo trộn bit xen kẽ để chống lỗi cụm. Việc truyền lại dữ liệu mã khối cũng được thực hiện trong khối bit lựa chọn, có tối đa 4 phiên bản truyền lại, tại phía giải mã có thể thực kết hợp các bit đảo ngược khác nhau giúp cho giải mã thông tin được tốt hơn.
Chuỗi bit đầu vào của bộ block interleaver được kí hiệu như sau: 𝑑%, 𝑑#, 𝑑$, . . . , 𝑑3"#với N là số lượng bit. Chuỗi bit này được chia làm 32 sub-block. Chuỗi đầu ra sau bộ sub-block interlever được kí hiệu là 𝑦%, 𝑦#, 𝑦$, . . . , 𝑦3"#
Bộ bit sau khi Sub-block interleaving là 𝑦%, 𝑦#, 𝑦$, . . . , 𝑦3"# được sắp xếp vào một bộ đệm có độ dài N. Kí hiệu E là chiều dài chuỗi đầu ra của bộ rate matching ứng với khối mã hóa thứ rth và rvidx là số redundancy version (RV) sử dụng cho kênh truyền (rvidx = 0,1,2 hoặc 3), chuỗi bit đầu ra của bộ rate matching được kí hiệu 𝑒), k = 0,1,..., 𝐸 − 1. Chuỗi bit 𝑒%, 𝑒#, 𝑒$, . . . , 𝑒@"# sẽ được xáo trộn với chuỗi bit 𝑓%, 𝑓#, 𝑓$, . . . , 𝑓@"#, trong đó E <=8192
Hình 2.7: Mô tả bit xen kẽ cho điều chế 256QAM
Với HARQ-ACK truyền trên kênh PDSCH, số symbol điều chế trên mỗi layer là 𝑄ACKA với số CRC bít L = 0. Chuỗi bit đầu vào rate matching là 𝑑%, 𝑑#, 𝑑$, . . . , 𝑑3"#. Rate matching thực hiện với kích thước chuỗi đầu ra 𝐸 = 𝑁5 ⋅ 𝑄′ACK⋅ 𝑄&, trong đó:
39
§ 𝑁5 là số layer xử lý trong kênh PDSCH;
§ 𝑄& là mức điều chế dùng trong kênh PDSCH.
Chuỗi bit thông tin đầu ra sau khi xử lý rate matching là 𝑓%, 𝑓#, 𝑓$, . . . , 𝑓@"#.
2.2.5 Ghép nối dữ liệu
Khối ghép nối dữ liệu có chức năng ghép các khối mã hóa sau khi thực hiện Rate Matching thành một khối truyền tải để đưa vào khối trộn bit trước khi thực hiện phần xử lý I/Q.
Các khung dữ liệu sau mã hóa kênh và phối hợp tốc độ sẽ được nối lại với nhau thành một bản tin duy nhất. Thuật toán thưc hiện được mô tả như hình 2.8
Hình2.8: Quá trình móc nối các khối mã hóa sau mã hóa
Các tham số liên quan đến quá trình ghép nối :
- E: số lượng bit trong một Khối mã hóa sau quá trình Rate Matching - C: số lượng Khối mã hóa trong một khối truyền tải
Giả sử chuỗi bit đầu vào tuần tự của khối móc nối từ các khối mã hóa tương ứng là 𝑓B) với 𝑟 = 0, . . . , 𝐶 − 1và 𝑘 = 0, . . . , 𝐸B− 1. Chuỗi bit đầu ra sau khối khối mã hóa ghép nối tương ứng là 𝑔) với 𝑘 = 0, . . . , 𝐺 − 1.
2.2.6 Bộ xáo trộn bit
Bộ xáo trộn bit dùng để xáo trộn chuỗi bit đầu vào theo một giải thuật riêng ở bên phát làm cho phía thu không thể hiểu được dữ liệu được truyền đi nếu không có một bộ giải xáo trộn phù hợp. Bộ xáo trộn bit sẽ thay thế chuỗi đầu vào bằng một chuỗi đầu ra khác mà không làm mất đi dữ liệu cần truyền và không làm thay đổi chiều dài chuỗi bit.
Khối mã hoá sau khi Rate Matching
40
Sử dụng xáo trộn bit để loại bỏ sự phụ thuộc vào phổ công suất của tín hiệu trên dữ liệu phát thực tế, làm phân tán mật độ công suất phổ tối đa, bởi vì nếu công suất tập trung vào một băng tần hẹp có thể gây nhiễu đối với các kênh lân cận (nhiễu ICI).
Các tính chất của bộ xáo trộn bit:
§ Tính bảo mật: phải đủ khó trong việc truy nhập không hợp lệ (không có bộ giải xáo trộn phù hợp với bộ xáo trộn bên phát).
§ Tính che giấu: nội dung của tín hiệu sau xáo trộn đã thay đổi phức tạp, không còn như dữ liệu ban đầu.
§ Phục hồi dữ liệu: chất lượng dữ liệu không được thay đổi trong quá trình khôi phục dữ liệu.
Bảng 2.2: Các tham số cấu hình trên bộ trộn bit
Ký hiệu Ý nghĩa
q Số codeword, cấp bởi lớp MAC
nRNTI Định danh nhận dạng UE, cấp bởi lớp MAC
𝑁CD4>** Physical cell ID, tham số cấu hình cell
𝑀-'E(F) Độ dài khối dữ liệu vào
𝑛= Slot number, cấp bởi lớp MAC
Nc Hằng số (Nc =1600)
nID Là tham số lớp trên cấu hình
dataScramblingIdentityPDSCH
(Nguồn : 3GPP.TS.38214 Physical layer procedure for data) Chuỗi bit đầu vào: 𝑏(F)(0), . . . , 𝑏(F)(𝑀bit(F)− 1)
Chuỗi bit đầu ra sau bộ trộn bit :𝑏k(F)(0), . . . , 𝑏k(F)(𝑀bit(F)− 1) Các bước thực hiện:
Bước 1: Tính toán giá trị khởi tạo ở đầu các khung con
𝑐init = 𝑛RNTI⋅ 2#G+ 𝑞 ⋅ 2#H+ 𝑛ID (2.4)
Với 𝑛ID ∈ {0,1, . . . ,1023} là tham số lớp trên nếu được cấu hình
41
trên với RNTI loại C-RNTI, MCS-C-RNTI, hoặc CS-RNTI, và phía phát không được lập lịch DCI format 1_0 trong một không gian tìm kiếm chung, 𝑛ID = 𝑁IDcell trong các trường hợp khác
Bước 2: Khởi tạo giá trị đầu cho các chuỗi
Chuỗi thứ nhất: 𝑥#(0) = 1, 𝑥#(𝑛) = 0, 𝑛 = 1,2, . . . ,30 Chuỗi thứ hai được suy ra từ cinit:
𝑐init = n 𝑥$(𝑖) ⋅ 2' 1%
'(%
(2.5)
Bước 3: Tạo chuỗi xáo trộn pseudo:
(2.6)
Bước 4: Thực hiện xáo trộn chuỗi bit đầu vào:
𝑏k(F)(𝑖) = 9𝑏(F)(𝑖) + 𝑐(F)(𝑖): 𝑚𝑜𝑑 2 (2.7) 2.2.7 Bộ điều chế
Khối bit đầu vào: 𝑏k(F)(0), . . . , 𝑏k(F)(𝑀bit(F)− 1)
Khối symbol sau điều chế: 𝑑(F)(0), . . . , 𝑑(F)(𝑀symb(F) − 1)
Bộ điều chế sẽ ánh xạ các bit đầu vào sang các symbol điều chế phức:
Bảng 2.3: Tham số cho Modulation Mapper
Ký hiệu Ý nghĩa
q Số codeword, cấp bởi lớp MAC
Modulation_type Kiểu điều chế được cho bởi lớp MAC
Dựa vào thông tin cấu hình Modulation_type ta sẽ thực hiện điều chế theo các loại điều chế dưới đây.
π/2-BPSK: Một symbol được ánh xạ từ một bit. Bit 𝑏(𝑖) được được ánh xạ đến các symbol giá trị phức 𝑑(𝑖) theo công thức sau:
𝑑(𝑖) =𝑒 ;I$(' &JK $) √2 [(1 − 2𝑏(𝑖)) + 𝑗(1 − 2𝑏(𝑖))] (2.8) ( ) ( ) ( ( 3) ( 2) ( 1) ( ))mod2 ) 31 ( 2 mod ) ( ) 3 ( ) 31 ( 2 mod ) ( ) ( ) ( 2 2 2 2 2 1 1 1 2 1 n x n x n x n x n x n x n x n x N n x N n x n c C C + + + + + + = + + + = + + + + =
42
BPSK: Một symbol được ánh xạ từ một bit. Bit 𝑏(𝑖) được ánh xạ đến các symbol giá trị phức 𝑑(𝑖) theo công thức sau:
𝑑(𝑖) = 1
√2[(1 − 2𝑏(𝑖)) + 𝑗(1 − 2𝑏(𝑖))] (2.9)
QPSK: Một symbol được ánh xạ từ 2 bit. Cặp bit 𝑏(2𝑖), 𝑏(2𝑖 + 1) được ánh xạ đến các symbol giá trị phức 𝑑(𝑖) theo công thức sau hoặc theo bảng chi tiết dưới đây:
𝑑(𝑖) = 1
√2[(1 − 2𝑏(2𝑖)) + 𝑗(1 − 2𝑏(2𝑖 + 1))] (2.10) 16QAM: Một symbol được ánh xạ từ 4 bit. Cặp bit 𝑏(4𝑖), 𝑏(4𝑖 + 1), 𝑏(4𝑖 + 2), 𝑏(4𝑖 + 3) được ánh xạ đến các symbol giá trị phức 𝑑(𝑖) theo công thức sau:
𝑑(𝑖) = 1
√10{(1 − 2𝑏(4𝑖))[2 − (1 − 2𝑏(4𝑖 + 2))] + 𝑗(1 − 2𝑏(4𝑖 + 1))[2 − (1 − 2𝑏(4𝑖 + 3))]}
(2.11)
64QAM : Một symbol được ánh xạ từ 6 bit. Cặp bit 𝑏(6𝑖), 𝑏(6𝑖 + 1), 𝑏(6𝑖 + 2), 𝑏(6𝑖 + 3), 𝑏(6𝑖 + 4), 𝑏(6𝑖 + 5) được ánh xạ đến các symbol giá trị phức 𝑑(𝑖) theo công thức sau hoặc theo bảng chi tiết dưới đây:
𝑑(𝑖) = 1
√42p(1 − 2𝑏(6𝑖))T4 − (1 − 2𝑏(6𝑖 + 2))[2 − (1 − 2𝑏(6𝑖 + 4))]U
+ 𝑗(1 − 2𝑏(6𝑖 + 1))T4 − (1 − 2𝑏(6𝑖 + 3))[2 − (1 − 2𝑏(6𝑖 + 5))]Uq 256QAM :Một symbol được ánh xạ từ 8 bit. Cặp bit được ký hiệu như dưới đây:
𝑏(8𝑖), 𝑏(8𝑖 + 1), 𝑏(8𝑖 + 2), 𝑏(8𝑖 + 3), 𝑏(8𝑖 + 4), 𝑏(8𝑖 + 5), 𝑏(8𝑖 + 6), 𝑏(8𝑖 + 7) được ánh xạ đến các symbol giá trị phức 𝑑(𝑖) theo công thức chi tiết dưới đây:
(2.12)
2.2.8 Tham chiếu tài nguyên vào các khối tài nguyên ảo VRB
( ) ( ) ( ) ( ) { ( ) ( ) ( ) ( ) } 1 ( ) 1 2 (8 ) 8 1 2 (8 2) 4 1 2 (8 4) 2 1 2 (8 6) 170 1 2 (8 1) 8 1 2 (8 3) 4 1 2 (8 5) 2 1 2 (8 7) d i b i b i b i b i j b i b i b i b i é é ùù = - ë - - + ë - - + éë - - + ùûûû é é ùù + - + ë - - + ë - - + éë - - + ûùûû
43
Với mỗi antenna, một lưới tài nguyên ảo được tạo. Trong mỗi lưới tài nguyên là các resource element (RE), PDSCH được tham chiếu từ RE trong mỗi ký tự OFDM tham chiếu từ miền tần số thấp nhất tới miền tần số cao nhất, về miền thời gian tham chiếu từ ký tự OFDM có chỉ số thấp nhất tới chỉ số cao nhất. Việc tham chiếu cho PDSCH phải tránh các vị trí RE của các tín hiệu dưới đây
§ REs được dùng cho DMRS với PDSCH được truyền
§ REs được dùng cho DMRS dự định cho lập lịch khác
§ REs cho non-zero-power CSI-RS, trừ khi non-zero-power CSI
§ RSs là CSI-RS được cấu hình bởi tham số lớp trên CSI-RS-Resource- Mobility trong MeasObjectNR IE.
§ REs cho PTRS
§ REs khai báo 'not available for PDSCH’
Hình 2.9: Mô tả tham chiếu VRB cho PDSCH 2.2.8.1 Tài nguyên cấp phát PDSCH trong miền tần số
Trong 5G có 2 loại cấp phát tài nguyên miền tần số cho kênh PDSCH
• Type 0: Sử dụng bitmap, với mỗi bit được set bằng 1 thì sẽ tương ứng với số RE liên tiếp trong bảng dưới đây
44
Bảng 2.4 : Tham chiếu cấu hình và kích thước phần băng thông Bandwidth Part Size Configuration 1 Configuration 2
1 – 36 2 4
37 – 72 4 8
73 – 144 8 16
145 – 275 16 16
(Nguồn : 3GPP.TS.38214 Physical layer procedure for data)
• Type1: Sử dụng kiểu cấp phát RB start và RB size trong mỗi BWP. Với mỗi giá trị chỉ báo tài nguyên (RIV) ta sẽ tìm được RBstart và RB size (Lrbs).
2.2.8.2 Tài nguyên cấp phát PDSCH trong miền thời gian
Sử dụng SLIV(Start and Length Indicator Value) giá trị chỉ báo bắt đầu và độ dài để chỉ ra vị trí bắt đầu ký tự OFDM dành cho kênh PDSCH và kích thước chiều dài số ký tự OFDM dành cho kênh PDSCH.
Trong trường hợp cấu hình tham chiếu loại không xen kẽ, dữ liệu lưới tài nguyên VRB và PRB là giống nhau
Hình 2.10: Mô tả tham chiếu không xen kẽ trong PDSCH
Trong trường hợp cấu hình tham chiếu loại xen kẽ, việc ánh xạ từ lưới VRB thành PRB được thông qua hàm f(j) như hình dưới đây. Việc interleaved này nhằm xáo trộn các vị trị RB nhằm tránh nhiễu cụm.
45
Hình 2.11: Mô tả tham chiếu xen kẽ trong PDSCH
2.3 Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp xử lý tín hiệu hiện nay 2.3.1 Ưu điểm 2.3.1 Ưu điểm
Với việc được áp dụng hàng loạt các thuật toán xử lý mới trên kênh PDSCH như thuật toán về xử lý CRC, thuật toán xử lý các khối truyền tải và khối mã hóa… đã mang lại những ưu điểm nhất định như:
• Việc xử lý các khối dữ liệu truyền tải đã dễ dàng hơn, các khối dữ liệu không còn được truyền một cách đồng thời nữa mà đã được tách riêng kèm theo đó là các mã sửa sai với thuật toán mới cũng đáp ứng được nhu cầu