3.2.4 Các đặc tính lớp vật lý cao cấp khác
WiMAX di động đã đưa ra các kỹ thuật: AMC - điều chế thích nghi và mã hoá, HARQ –Yêu cầu lặp lại tự động kiểu kết hợp, CQICH - Phản hồi kênh nhanh để nâng cao khả năng phủ sóng, dung lượng cho WiMAX trong các ứng dụng di động. Trong WiMAX di động ở đường xuống, bắt buộc phải có các hỗ trợ điều chế QPSK, 16QAM
và 64-QAM. Còn ở đường lên, 64-QAM là tuỳ chọn. Cả mã hoá vòng và mã hoá Turbo vòng với tốc độ mã thay đổi và mã lặp cũng được hỗ trợ. Ngoài ra, mã khối Turbo và mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) cũng được hỗ trợ tuỳ chọn. Bảng 3.7 tổng kết các nguyên lý mã hoá và điều chế hỗ trợ trong WiMAX di động (điều chế và mã hoá hướng lên tuỳ chọn được in nghiêng).
Hướng xuống (DL) Hướng lên (UL)
Điều chế QPSK, 16QAM, 64-QAM QPSK,16QAM, 64-QAM
Tốc độ mã
CC 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 1/2, 2/3, 5/6
CTC 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 1/2, 2/3, 5/6
Mã lặp x2, x4, x6 x2, x4, x6
Bảng 3.7: Các kỹ thuật mã hoá và điều chế được hỗ trợ
Sự tổ hợp các kỹ thuật điều chế và các tốc độ mã đem lại sự tinh phân giải tốc độ dữ liệu như minh hoạ trong Bảng 3.8 (với độ rộng các kênh là 5 và 10 MHz với các kênh con PUSC). Độ dài khung là 5 ms. Mỗi khung có 48 biểu trưng OFDM gồm 44 biểu trưng OFDM sẵn sàng để truyền dữ liệu. Các giá trị được in nghiêng là để chỉ các tốc độ cho kỹ thuật 64-QAM tuỳ chọn ở đường lên.
Tham số Hướng
xuống Hướng lên
Hướng
xuống Hướng lên
Băng thông hệ thống 5 Mhz 10 MHz
Kích thước FFT 512 1024
Sóng mang con NULL 92 104 184 184
Sóng mang con Pilot 60 136 120 380
Sóng mang con dữ liệu 360 272 720 560
Kênh con 15 17 30 35
Thời gian biểu trưng, Ts 102.9 ms
Thời gian tồn tại dài khung 5 ms
Số biểu trưng OFDM/Khung 48
Số biểu trưng OFDM cho dữ liệu 44
Điều chế Tốc độ mã Kênh 5 MHz Kênh 10 MHz Tốc độ DL Mbps Tốc độ UL Mbps Tốc độ DL Mbps Tốc độ UL Mbps QPSK 1/2 CTC, 6x 0.53 0.38 1.06 0.78 1/2 CTC, 4x 0.79 0.57 1.58 1.18 1/2 CTC, 2x 1.58 1.14 3.17 2.35 1/2 CTC, 1x 3.17 2.28 6.34 4.70 3/4 CTC 4.75 3.43 9.50 7.06 16QAM 1/2 CTC 6.34 4.57 12.67 9.41 3/4 CTC 9.50 6.85 19.01 14.11 64-QAM 1/2 CTC 9.50 6.85 19.01 14.11 2/3 CTC 12.67 9.14 25.34 18.82 3/4 CTC 14.26 10.28 28.51 21.17 5/6 CTC 15.84 11.42 31.68 23.52
Bảng 3.8: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMAX di động
Trong đó tốc độ dữ liệu PHY = (số lượng sóng mang con dữ liệu/thời gian kéo dài biểu trưng)*(số bit thông tin/biểu trưng)
Bộ lập lịch trạm gốc xác định tốc độ dữ liệu phù hợp cho mỗi cấp phát cụm (burst) dựa trên kích thước bộ đệm và điều kiện truyến sóng ở phía thu, v.v… Một kênh chỉ thị chất lượng kênh (CQI – Channel Quality Indicator)được sử dụng để cung cấp thông tin trạng thái kênh từ thiết bị đầu cuối người dùng đến bộ lập lịch trạm gốc. Thông tin trạng thái kênh tương ứng từ kênh CQICH gồm: CINR vật lý, CINR hiệu quả, lựa chọn chế độ MIMO và lựa chọn kênh con lựa chọn tần số. Với kỹ thuật TDD, khả năng điều chỉnh kênh lợi dụng ưu điểm khả năng trao đổi kênh để cung cấp thông tin chính xác hơn về tình trạng kênh.
WiMAX di động cũng hỗ trợ HARQ. HARQ được phép sử dụng giao thức “Dừng và Đợi” N kênh để cung cấp khả năng đáp ứng nhanh để đóng gói lỗi và cải tiến khả năng phủ sóng đường biên cell. Ngoài ra để cải thiện hơn nữa sự ổn định của đường truyền. Một kênh dành riêng ACK cũng được cung cấp ở đường lên để báo hiệu ACK/NACK của HARQ. Hoạt động đa kênh HARQ cũng được hỗ trợ. ARQ đa kênh dừng-và-đợi (stop-and-wait) với một số lượng nhỏ kênh là một giao thức đơn giản mà hiệu quả cho phép tối thiểu bộ nhớ yêu cầu cho HARQ. WiMAX cũng cung cấp báo hiệu cho phép hoạt động ở chế độ không đồng bộ. Chế độ không đồng bộ cho phép các độ trễ khác nhau giữa những lần truyền lại và chính điều này đem lại sự linh hoạt cho bộ lập lịch do sự hiệu quả của mào đầu thêm vào khi cấp phát phiên truyền lại. HARQ kết hợp với CQICH và AMC sẽ cung cấp khả năng thay đổi đường truyền trong môi trường di động với tốc độ xe tải không vượt quá 120 Km/giờ.
3.3 Những hướng mở trong lớp vật lý của WiMAX.
Trong lớp vật của WiMAX sử dụng công nghệ OFDM để truyền tin và sử dụng nhiều bậc điều chế khác nhau từ phấp lên cao thích ứng từ BPSK, QPSK đến 16QAM, 128-QAM, 256-QAM… Kết hợp các phương pháp sửa lỗi dữ liệu như ngẫu nhiên hoá, với mã hoá sửa lỗi Reed Solomon, mã chập, mã turbo…Điều này cho thấy lớp vật lý của WiMAX rất phong phú có thể áp dụng các phương pháp khác nhau nhằm cải thiện lỗi tỷ lệ BER như:
Áp dụng nguyên lý giải mã lặp kết hợp điều chế xáo trộn bit BICM-ID (Bit Interleaved Coded Modulation With Iterative Decoding) cho mã turbo chập để nâng cao chất lượng bộ giải mã.
Thay đổi phương pháp hoán vị bit của bộ hoán vị bit sử dụng sau máy mã kết hợp với các bộ điều chế bậc cao.
Thay đổi phương pháp gán nhãn nhị phân trên biểu đồ chòm sao để tìm ra nhãn nhị phân có lợi về tỷ lệ BER.
Những vấn đề nêu trên cũng là mục tiêu nghiên cứu và cần được giải quyết trong phạm vi đề tài này.
Chương 4: Áp dụng nguyên lý BICM-ID cho WiMAX
4.1 Giới thiệu nguyên lý BICM-ID (Bit Interleaved Coded Modulation With Iterative Decoding) Iterative Decoding)
Theo lý thuyết mã hoá, chất lượng của các mã khối có thể tăng lên nhờ việc tăng chiều dài từ mã. Với mã xoắn, chất lượng giải mã liên quan đến chiều dài ràng buộc của máy mã. Việc tăng chiều dài ràng buộc có thể cải thiện tỷ lệ BER đáng kể, nhưng giá phải trả là sự phức tạp của bộ giải mã hợp lẽ cực đại ML (Maximum- Likelihood) tăng theo hàm mũ [10].
Các mã Turbo được đề xuất gần đây đã giải quyết được vấn đề trên. Trong đó hai hoặc nhiều bộ mã xoắn có độ dài bộ nhớ ngắn được liên kết song song hoặc nối tiếp. Nhờ hoán vị ngẫu nhiên, hiệu quả sửa lỗi đạt được không chỉ nhờ ràng buộc trên các chuyển dịch lưới thành phần mà còn nhờ tác dụng của giải mã lặp. Do phương pháp giải mã dùng cho các mã liên kết khó thực hiện nên phương pháp giải mã lặp sử dụng xác suất hậu nghiệm cực đại MAP (Maximum A posteriori Probability) cho mỗi bộ giải mã riêng được sử dụng nhằm tiệm cận dung lượng kênh [3, 15]. Với các mã thành phần đơn giản, mã Turbo đạt được hiệu quả tốt như các bộ mã có chiều dài lớn.
Một giải pháp đơn giản hơn là sử dụng giải mã lặp với mã hoá liên kết, hoán vị từng bit kết hợp với các bộ điều chế bậc cao. Khác với mã turbo, giải pháp này chỉ sử dụng 1 bộ mã hoá và giải mã. Do đó, độ phức tạp của máy thu giảm đáng kể. Nhìn thoáng qua, sơ đồ khối của nó không khác nhiều với TCM (Trellis Coded Modulation) truyền thống được đề xuất bởi Ungerboeck [16]. Sơ đồ này được đề xuất bởi Zehavi nhằm cải thiện chất lượng của TCM trên các kênh fading Rayleigh và được gọi là BICM[17]. Tuy nhiên giá phải trả là cự ly Euclid tự do FED (Free-squared Euclidean Distance) giảm, dẫn đến sự suy giảm chất lượng khi truyền qua các kênh Gauss không fading [17, 18].
X.Li và A.Chindapol đã chứng tỏ rằng BICM, phương pháp làm hiệu quả băng thông trên kênh pha đinh, có được kết quả tốt cả trên kênh Gauss và kênh pha đinh nhờ giải mã lặp ID. Bộ mã này được gọi là BICM-ID, nhằm tối đa hoá lợi ích của ID, với điểm mấu chốt là thay đổi ánh xạ Gray trong bộ tạo mã BICM của Zehavi [17].
4.1.1 Bộ mã hóa và giải mã BICM
Bộ tạo mã BICM được mô tả tại hình 4.1 bao gồm bộ mã hoá chập CTC, bộ hoán vị bit và bộ điều chế không nhớ. Bộ hoán vị bit giả ngẫu nhiên có tác dụng hoán vị các bit nhị phân đầu ra của bộ mã hoá, thay cho các bộ hoán vị symbol truyền thống.