Mã khối là bộ mã hóa chia dòng thông tin thành những khối tin (message) có k bit. Mỗi tin được biểu diễn bằng một khối k thành phần nhị phân u = (u1,u2,..,un), u được gọi là vector thông tin. Có tổng cộng 2k vector thông tin khác nhau. Bộ mã hóa sẽ chuyển vector thông tin u thành một bộ n thành phần v = (v1,v2,...,vn) được gọi là từ mã. Như vậy ứng với 2k vector thông tin sẽ có 2k từ mã khác nhau. Tập hợp 2k từ mã có chiều dài n được gọi là một mã khối (n,k). Tỉ số R = k/n được gọi là tỉ số mã, R chính là số bit thông tin đưa vào bộ giải mã trên số bit được truyền. Do n bit ra chỉ phụ thuộc vào k bit thông tin vào, bộ giải mã không cần nhớ và có thể được thực hiện bằng mạch logic tổ hợp. Mã vòng là một tập con của mã khối tuyến tính.
Mã vòng là phương pháp mã hóa cho phép kiểm tra độ dư vòng (CRC – Cyclic Redundance Check) và chỉ thị chất lượng khung ở các khung bản tin.
(1). Nhân đa thức thông tin u(x) với xn-k.
(2). Chia xn-k.u(x) cho đa thức sinh g(x), ta được phần dư b(x). (3). Hình thành từ mã b(x) + xn-k
Tất cả ba bước này được thực hiện bằng mạch chia với thanh ghi dịch (n-k) tầng có hàm hồi tiếp tương ứng với đa thức sinh g(x).
Sơ đồ mạch mã hóa vòng :
Nguyên lý hoạt động:
Bước 1 : Cổng đóng cho thông tin qua mạch, k chữ số thông tin u0, u1,...,un-k được dịch vào mạch từ thiết bị đầu cuối để nhân trước u(x) với xn-k. Ngay sau khi thông tin được đưa vào mạch thì n-k chữ số còn lại trong thanh ghi là những con số kiểm tra chẵn lẻ. G1 G1 G1 G1 b1 b1 b1 b1 + + + + b0 b0 b0 b0 + + + + b2 b2 b2 b2 + + + + G2 G2 G2 G2 Gn-k-1 Gn-k-1 Gn-k-1 Gn-k-1 + + + + bn-k-1 bn-k-1 bn-k-1 bn-k-1 Thông tin xn+k.u(x) Thông tin xn+k.u(x) Thông tin xn+k.u(x) Thông tin xn+k.u(x) Các số kiểm tra chẵn lẻ Các số kiểm tra chẵn lẻ Các số kiểm tra chẵn lẻ Các số kiểm tra chẵn lẻ + + + +
Một khâu của thanh ghi dịch
Một khâu của thanh ghi dịch
Một khâu của thanh ghi dịch
Một khâu của thanh ghi dịch Cổng XOR Cổng XOR Cổng XOR Cổng XOR Mối liên kết g = 1 : Có liên kết g = 0 : Không liên kết g g g g
Hình 3.1 Mạch mã hóa vòng với đa thức sinh
g(x) = 1 + g1x + g2x2 + ...+ gn-k-1xn-k-1 + xn-k Cổng Cổng Cổng Cổng
Bước 2 : Cắt đứt đường hồi tiếp bằng cách điều khiển cho các cổng gi hở (không cho thông tin qua).
Bước 3 : Dịch các con số kiểm tra chẵn lẻ và đưa ra đường truyền. Các chữ số kiểm tra này kết hợp với k chữ số thông tin tạo thành vector mã.
Trong WCDMA ,các đa thức sinh có thể được sử dụng là : 24 23 6 5 24( )x 1 g =x +x + + + +x x x 16 12 5 16( )x 1 g =x +x + +x 12 11 3 2 12( )x 1 g =x +x + + + +x x x 8 7 4 3 8( )x 1 g = + + + + +x x x x x 3.2.2 Mã xoắn
Các mã vòng được gọi là các mã không có sự ghi nhớ, với ý nghĩa là từ mã hoặc các bít dư thêm vào chỉ là một hàm của khối bít hiện tại. Mã xoắn (Convolutional Code) (n,k,m) cũng có n đầu ra, k đầu vào như mã vòng (n,k) nhưng n đầu ra của mã xoắn phụ thuộc không chỉ vào k đầu vào tại thời gian đó mà còn phụ thuộc vào m khối bản tin trước đó. Mã xoắn (n,k,m) được xây dựng bởi mạch dãy. Mạch này dùng thanh ghi dịch m bit làm bộ nhớ, các đầu ra của các phần tử nhớ được cộng với nhau theo quy luật nhất định để tạo nên chuổi mã, sau đó các chuổi này được ghép xen với nhau để tạo nên chuổi mã đầu ra.
Đường truyền xuống (trạm gốc tới máy di động) trong WCDMA sử dụng mã xoắn tỷ lệ 1/2 ( một bít đầu vào cho ra hai bít đầu ra) và độ dài giới hạn K = 9.
Hệ thống WCDMA sử dụng một hệ thống mã hoá xoắn khác trên đường truyền lên ( máy di động tới trạm gốc). Vì máy di động có một công suất phát hạn chế nên đôi khi đường truyền lên có thể là đường truyền bị giới hạn. Do vậy, một mã xoắn hiệu suất cao hơn có tỷ lệ 1/3 và độ dài giới hạn K= 9 được sử dụng.
3.2.3 Mã Turbo
Mã hóa Turbo chỉ được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ ba khi hoạt động ở tốc độ bit cao với yêu cầu tỉ số lỗi bit BER nằm trong khoảng 10- 3 đến 10-6. Bộ mã hóa turbo thực chất là bộ mã xoắn móc nối song song PCCC (Parallel Concatenated Convolutional Code) với các bộ mã hóa thành phần 8 trạng thái được sử dụng.
3.3 Kỹ thuật trải phổ3.3.1 Giới thiệu 3.3.1 Giới thiệu
Tín hiệu sau trải phổ chiếm một độ rộng băng truyền dẫn lớn hơn gấp nhiều lần độ rộng băng tối thiểu cần thiết để truyền thông tin đi. Sự trải phổ được thực hiện bởi tín hiệu trải phổ được gọi là mã trải phổ, mã trải phổ này độc lập với dữ liệu. Tại phía thu, việc nén phổ (khôi phục lại thông tin ban đầu) được thực hiện bởi sự tương quan giữa tín hiệu thu được với bản sao đồng bộ của mã trải phổ sử dụng ở phía phát.
Trong các hệ thống thông tin việc sử dụng hiệu quả băng tần là vấn đề được quan tâm hàng đầu. Trong WCDMA để tăng tốc độ truyền dữ liệu, phương pháp đa truy nhập kết hợp TDMA và FDMA trong GSM được thay thế bằng phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA hoạt động ở băng tần rộng (5MHz) gọi là hệ thống thông tin trải phổ. Đối với các hệ thống thông tin trải phổ (SS: Spread Spectrum) độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng trước khi được phát. Tuy độ rộng băng tần tăng lên rất nhiều nhưng lúc này nhiều người sử dụng có thể dùng chung một băng tần trải phổ, do đó mà hệ thống vẫn sử dụng băng tần có hiệu quả đồng thời tận dụng được các ưu điểm của trải phổ. Ở phía thu, máy thu sẽ khôi phục tín hiệu gốc bằng cách nén phổ ngược với quá trình trải phổ bên máy phát.
Có ba phương pháp trải phổ cơ bản sau :
●Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS: Direct Sequence Spreading Spectrum): Thực hiện trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip cao hơn rất nhiều so với tốc độ bit.
●Trải phổ nhảy tần (FHSS: Frequency Hopping Spreading Spectrum): Hệ thống FHSS thực hiện trải phổ bằng cách nhảy tần số mang trên một tập các tần số. Mẫu nhảy tần có dạng mã ngẫu nhiên. Tần số trong khoảng thời gian một chip TC được cố định không đổi. Tốc độ nhảy tần có thể thực hiện nhanh hoặc chậm, trong hệ thống nhảy tần nhanh nhảy tần thực hiện ở tốc độ cao hơn tốc độ bit của bản tin, còn trong hệ thống nhảy tần thấp thì ngược lại.
●Trải phổ nhảy thời gian (THSS: Time Hopping Spreading Spectrum): Thực hiện trải phổ bằng cách nén một khối các bit số liệu và phát ngắt quãng trong một hay nhiều khe thời gian. Mẫu nhảy tần thời gian sẽ xác định các khe thời gian được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung.
Trong hệ thống DSSS, tất cả các người sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời. Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy ra tín hiệu bằng cách nén phổ. Các tín hiệu khác xuất hiện ở dạng nhiễu phổ rộng, công suất thấp giống tạp âm. Trong các hệ thống FHSS và THSS mỗi người sử dụng được ấn định một mã ngẫu nhiên sao cho không có cặp máy phát nào dùng chung tần số hoặc khe thời gian, như vậy các máy phát sẽ tránh bị xung đột. Nói cách khác DSSS là kiểu hệ thống lấy trung bình, FHSS và THSS là kiểu hệ thống tránh xung đột. Hệ thống thông tin di động công nghệ WCDMA chỉ sử dụng DSSS nên ta chỉ xét kỹ thuật trải phổ DSSS.
3.3.2 Nguyên lý trải phổ trực tiếp DSSS
Trong các hệ thống trải phổ trực tiếp một số liệu băng gốc dạng nhị phân lưỡng cực điển hình có tốc độ ký hiệu Rs=1/Ts sẽ được nhân với một chuỗi nhị phân lưỡng cực giả ngẫu nhiên có tốc độ “chip” Rc=1/Tc lớn hơn nhiều so với tốc độ ký hiệu (Ts=NTc).
Trong đó:
RC : tốc độ chip tín hiệu giả ngẫu nhiên. Rb : tốc độ bit.
TC : thời gian một chip. TS : thời gian một bit.
Hình 3.2 Quá trình trải phổ và giải trải phổ
Hiệu quả của quá trình này là trải rộng độ rộng băng tức thời của dạng sóng theo hệ số N, với cùng một mức công suất tín hiệu làm cho mật độ phổ công suất của tín hiệu trở nên khá thấp và “giống như tạp âm”.
Tại máy thu “quá trình giải trải phổ” (nhân với cùng một chuỗi nhị phân được dùng để trải phổ ở phía phát) và giải điều chế sẽ khôi phục lại được số liệu băng gốc nguyên thủy, cho phép máy thu lọc bỏ phần lớn nhiễu băng rộng.
Một độ lợi xử lý N=W/B= tỷ số của tốc độ chip/tốc độ ký hiệu và còn được gọi là hệ số trải phổ (SF) thể hiện mức độ chống nhiễu băng rộng sẽ đạt được nhờ sử dụng quá trình trộn (nhân) và lọc (tương quan). Nếu thu được một bản sao bị trễ của tín hiệu cần thu (tức là một thành phần sóng trong hiệu ứng nhiều tia), quá trình trộn bởi các sóng trải phổ ở máy thu không làm giảm độ rộng băng tần của tín hiệu này nếu hàm tương quan của dạng sóng trải phổ có các thuộc tính mong muốn nhất định thỏa mãn bởi các chuỗi giả ngẫu nhiên.
Như vậy hệ thông trải phổ DSSS thu được một độ lợi xử lý chống nhiễu do hiện tượng nhiều tia từ tín hiệu cần thu cũng như chống hiện tượng Jamming hoặc nhiễu từ các thuê bao khác.
3.3.3 Mã trải phổ và quá trình đồng bộ mã trải phổ:3.3.3.1 Trải phổ và ngẫu nhiên hóa: 3.3.3.1 Trải phổ và ngẫu nhiên hóa:
Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với dữ liệu nhằm tăng độ rộng băng tần của tín hiệu phát và chống nhiễu, còn quá trình ngẫu nhiên hoá được sử dụng để phân biệt các UE và các trạm cơ sở BS. WCDMA, quá trình trải phổ được thực hiện bằng các mã định kênh OVSF (dùng để trải phổ lần đầu, thay đổi tốc độ bitrate -> chiprate). Các mã này là mã trực giao độ dài khả biến (OVSF-Orthogonal Variable Spreading Factor), nên phân biệt được các kênh của cũng một user. Quá trình ngẫu nhiên hoá được thực hiện bằng các mã ngẫu nhiên hoá PN. Ngẫu nhiên hoá được thực hiện sau khi trải phổ nên độ rộng băng tần của tín hiệu không thay đổi nhưng cho phép phân biệt các tín hiệu từ các nguồn khác nhau.
● Các mã định kênh OVSF Cch,1,0=(1) Cch,4,1=(1,1,-1,-1) Cch,4,0=(1,1,1,1) Cch,2,0=(1,1) Cch,4,3=(1,-1,-1,1) Cch,4,2=(1,-1,1,-1) Cch,2,1=(1,-1) Hình 3.3 Mã OVSF
Hai code được gọi là trực giao nếu tích trong của chúng bằng 0. Trong trường hợp 2 code có dạng 1, -1 ví dụ như (1, 1, 1, 1) và (1, 1, -1, -1) là trực giao:
Nói chính xác hơn rằng 2 codes trực giao với nhau là 2 codes có hàm tương quan giữa chúng bằng 0. Nghĩa là chỉ nhân với nhau thì chưa đủ mà còn phải lấy tích phân trên cả chu kỳ của tín hiệu mang tin (Ts) nữa.
Truyền dẫn từ các nguồn khác nhau như: các kết nối đường xuống trong một đoạn ô và kênh vật lý đường lên của một UE được phân biệt bằng các mã định kênh. Các mã định kênh được xem như các mã hệ số trải phổ khả biến trực giao (OVSF). Việc sử dụng các mã OVSF cho phép thay đổi các hệ số trải phổ khác nhau và đảm bảo tính trực giao giữa các mã trải phổ có độ dài khác nhau. Các mã định kênh Cch,SF,k (ch là kênh, SF là hệ số trải phổ và 0≤k≤SF-1) được chọn từ cây mã và cấu trúc cây mã được cho trong hình 3.2. Bắt đầu với Cch,1,0=(1),các mã OVSF có thể được tạo ra một cách liên tục trong các lớp kế tiếp (tức là SF gấp đôi). Ở lớp SF=k ,số mã OVSF đã tạo ra là k và độ duy trì giữa các mã có tổng số bằng k. Đặc biệt tính trực giao có thể được đảm bảo ngay cả giữa hai mã OVSF trong các lớp khác nhau chỉ khi không mã nào được lấy ra từ mã khác (tức là chúng có mối tương quan phân cấp trong mã cây).
Ví dụ: tính trực giao luôn được duy trì giữa Cch,2,0 và Cch,4,2 không phụ thuộc vào mẫu ký hiệu của số liệu tin tức. Khi mã Cch,2,0 được ấn định không một từ mã nào được tạo ra từ tầng thấp hơn của cậy mã Cch,2,0 có thể áp dụng được.
Ở đường xuống, các tín hiệu phát trên các kênh từ BS đến MS là các tín hiệu truyền lan đa đường và có thời gian truyền lan khác nhau do hiện tượng phản xạ bởi các công trình xây dựng , tào nhà...trên các đường truyền là khác nhau. Các kênh vật lý chia sẻ cùng một đường truyền lan sẽ có cùng phương pháp điều chế pha và biên độ. Vì thế việc sử dụng các mã OVSF giữa các kênh ghép (các kênh vật lý) chia sẻ chung một đường truyền tạo ra khả năng đảm bảo tính trực giao giữa các kênh ngay cả khi chúng không cùng SF đến khi nào chúng còn sử dụng cùng đường truyền lan. Đây là một cách hiệu quả để đạt được các đặc tính thu chất lượng cao. Việc ưu tiên sử dụng SF biến thiên giúp đạt được tỷ số công suất đỉnh trung bình ở phía phát thấp hơn so với phương pháp truyền đa mã và cũng tạo ra khả năng xậy dựng một cấu hình máy thu RAKE một dãy tại đầu cuối thu. Trong trường hợp
truyền số liệu tốc độ cao, khi đó không thể đạt được độ tin cậy ngay cả khi SF được giảm xuống đến 4 hoặc 8, lúc này phương pháp truyền dẫn đã mã sử dụng các kênh mã ghép của SF được ứng dụng. Các phương pháp truyền dẫn SF biến thiên và truyền dẫn đa mã tạo ra cho WCDMA khả năng truyền tin một cách linh hoạt trên một phạm vi rộng từ các thông tin tốc độ thấp đến thông tin tốc độ cao.
Ví dụ: 1 user có thể sử dụng đến 6 kênh DPDCH nên gọi là đa mã, mỗi kênh DPDCH có hệ số trải phổ từ 4 đến 256 nên gọi là khả biến. Các mã này là mã trực giao độ dài khả biến (OVSF), nên phân biệt được các kênh của cũng một user. Tốc độ 2 Mbps sẽ có được nhờ hệ số trải phổ = 4, dùng 6 kênh DPDCH và mã kênh truyền là mã chập tốc độ 1/3: 3,84 Mc/s x 1/4 x 6 x 1/3 = 1,92 Mb/s.
Mã ngẫu nhiên
Mã ngẫu nhiên hay còn gọi là các chuỗi mã giả tạp âm PN được sử dụng để phân biệt các đường truyền dẫn từ các người sử dụng khác nhau.
Mã ngẫu nhiên do có các tính chất thống kê của tạp âm trắng AWGN (Additive White Gaussian Noise) và có biểu hiện ngẫu nhiên, bất xác định. Tuy nhiên máy thu cần biết mã này để tạo bản sao một cách chính xác và đồng bộ với mã được phát để giải mã bản tin. Vì thế mã ngẫu nhiên phải hoàn toàn xác định nên được gọi là mã giả ngẫu nhiên
Mã giả ngẫu nhiên được tạo ra bằng các bộ thanh ghi dịch có mạch hồi tiếp tuyến tính (LFSR: Linear Feedback Shift Register) và các cổng XOR.
Một chuỗi thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính được xác định bởi một đa thức tạo mã tuyến tính bậc m (m > 0) : ( ) 1 0 1 1x ... g x g g x g x g m m m m + + + + = − − (với gm = g0 = 1) (3.1) xm : Đơn vị trễ.
Giả sử ta nạp chuỗi giá trị khởi đầu cho thanh ghi dịch : S0 = {S0(1), S0(1), …S0(m)}
Giá trị đầu ra trong (m -1) xung đồng hồ đầu tiên là : C0 = S0(m)
C1 = S0(m-1) ….
Cm-1 = S0(1)
Tại xung đồng hồ thứ i (i > m-1) ta có trạng thái của thanh ghi dịch: Si(m) = Si-1(m-1) = Si-2(m-2) = …= Si-m+1(1) (3.2)
Si-m+1(1) = g1.Si-m(1) + g2.Si-m(2) + …+ Si-m(m) (gm = 1)
=> Si(m) = g1.Si-m(1) + g2.Si-m(2) + …+ Si-m(m) (3.3) Áp dụng công thức (3.3), ta có :
Si(m) = g1.Si-1(m) + g2.Si-2(m) + …+ Si-m(m) (3.4)
Giá trị đầu ra tại xung thứ i chính là giá trị phần tử nhớ Si(m) của thanh ghi dịch : ci Si(1) Si(2) g1 g2 gm-1 ci-m Đến bộ điều chế Si(m)
=> Ci = g1.Ci-1 + g2.Ci-2 + …+ Ci-m (3.5)