Đối với các mã tích chập thì thuật toán Viterbi cho ra chuỗi đầu ra ML. Còn đối với các mã Turbo, chúng ta gặp hai trở ngại khi sử dụng các bộ giải mã Viterbi thông thƣờng. Thứ nhất, bộ giải mã Viterbi bên trong cho ra một loạt lỗi bit làm giảm đi việc thực hiện của các bộ giải mã Viterbi bên ngoài. Thứ hai, bộ giải mã Viterbi bên trong cho ra các đầu ra quyết định cứng làm ngăn chặn bộ giải mã Viterbi bên ngoài nhận đƣợc các lợi điểm của các quyết định mềm. Cả hai trở ngại này có thể đƣợc khắc phục và việc thực hiện giải mã có thể đƣợc cải tiến một cách đáng kể nếu các bộ giải mã Viterbi có thể cho ra các giá trị tin cậy. Các giá trị tin cậy này đi qua các bộ giải mã Viterbi tiếp sau đó và đƣợc xem nhƣ là một thông tin ƣu tiên nhằm để cải tiến việc thực hiện giải mã. Bộ giải mã Viterbi bổ sung này đƣợc tham khảo nhƣ là bộ giải mã thuật toán Viterbi đầu ra mềm (SOVA).
Hình 1.21. Bộ giải mã SOVA kết nối
Trong hình trên y biểu diễn các giá trị kênh nhận đƣợc, u biểu diễn các giá trị đầu ra quyết định cứng, L biểu diễn các giá trị tin cậy liên kết.
Sơ đồ khối của bộ giải mã SOVA
Bộ giải mã SOVA có thể đƣợc thực hiện theo nhiều cách khác nhau. Nhƣng có lẽ theo khuynh hƣớng tính toán thì dễ dàng thực hiện bộ giải mã SOVA cho các mã có chiều dài bắt buộc K lớn và kích cỡ khung dài bởi vì sự cần thiết cập nhật tất cả các đƣờng sống sót. Do thủ tục cập nhật chỉ có ý nghĩa cho đƣờng ML, nên việc thực hiện của bộ giải mã SOVA chỉ thực hiện thủ tục cập nhật đối với đƣờng ML đƣợc trình bày trong hình 1.23.
34
Hình 1.22. Sơ đồ khối bộ giải mã SOVA
Bộ giải mã SOVA lấy ngõ vào là L(u) và Lcy, là giá trị tin cậy và giá trị nhận đƣợc đã qua cân bằng tƣơng ứng, và cho ra u’ và L(u’), tƣơng ứng là các quyết định bit ƣớc đoán và các thông tin a posteriori L(u’). Việc thực hiện bộ giải mã SOVA này bao gồm hai bộ giải mã SOVA riêng biệt. Bộ giải mã SOVA đầu tiên chỉ tính các metric của đƣờng ML và không tính (giữ lại) các giá trị tin cậy. Các thanh ghi dịch đƣợc sử dụng để đệm cho các ngõ vào trong khi bộ giải mã SOVA đầu tiên đang xử lý đƣờng ML. Bộ giải mã SOVA thứ hai (có thông tin đƣờng ML) tính lại đƣờng ML và cũng tính và cập nhật các giá trị tin cậy. Ta thấy rằng phƣơng pháp thực hiện này làm giảm độ phức tạp trong tiến trình cập nhật. Thay vì truy ngƣợc và cập nhật 2m đƣờng sống sót, thì chỉ có m đƣờng ML cần đƣợc xử lý.
Một sơ đồ chi tiết của một bộ giải mã SOVA lặp đƣợc trình bày ở hình 1.24.
35 Bộ giải mã xử lý các bit kênh nhận đƣợc trên một khung cơ bản. Nhƣ đƣợc trình bày trong hình 1.24, các bit kênh nhận đƣợc tách thành dòng bit hệ thống y1 và hai dòng bit parity y2 và y3 từ các bộ mã hóa 1 và 2 tƣơng ứng. Các bit này đƣợc cân bằng bởi giá trị tin cậy kênh và đƣợc lấy ra qua các thanh ghi CS. Các thanh ghi trình bày trong hình đƣợc sử dụng nhƣ các bộ đệm để lƣu trữ các chuỗi cho đến khi chúng ta cần. Các khóa chuyển đƣợc đặt ở vị trí mở nhằm ngăn ngừa các bit từ các khung kế tiếp đợi xử lý cho đến khi khung hiện hành đƣợc xử lý xong.
Bộ giải mã thành phần SOVA cho ra thông tin a posteriori L(ut’) và bit đƣợc ƣớc đoán ut’ (ở thời điểm t). Thông tin a posteriori L(ut’) đƣợc phân tích thành 3 số hạng:
L(u’t)=L(ut) + Lcyt,1 + Le(ut’) (1.6)
- L(ut) là giá trị tiền nghiệmvà đƣợc sinh ra bởi bộ giải mã thành phần SOVA trƣớc đó.
- Lcyt,1 là giá trị kênh hệ thống nhận đƣợc đã qua cân bằng.
- Le(ut’) là giá trị ngoại laiđƣợc sinh ra bởi bộ giải mã thành phần SOVA hiện tại. Tin tức đi xuyên qua giữa các bộ giải mã thành phần SOVA là giá trị ngoại lai.
Le(ut’)=L(u’t) – Lcyt,1 – L(ut) (1.7)
Giá trị tiền nghiệmL(ut) đƣợc trừ đi từ số bị trừ là thông tin a osteriori L(ut’) để ngăn ngừa tin tức đi ngƣợc lại bộ giải mã mà từ đó sinh ra nó. Cũng vậy, giá trị kênh hệ thống nhận đƣợc đã qua cân bằng Lcyt,1 đƣợc trừ đi nhằm để xóa tin tức “thông thƣờng” trong các bộ giải mã thành phần SOVA. Hình 1.24 trình bày bộ giải mã mã PCCC là sự kết nối theo thứ tự vòng kín của các bộ giải mã thành phần SOVA. Trong sơ đồ giải mã vòng kín này, mỗi một bộ giải mã thành phần SOVA ƣớc đoán chuỗi tin bằng cách sử dụng dòng bit parity đã qua cân bằng. Hơn nữa, bộ giải mã PCCC thực hiện giải mã lặp nhằm cho ra các ƣớc đoán tiền nghiệm độ tin cậy đáng tin tƣởng hơn từ 2 dòng bit parity đã qua cân bằng khác nhau, với hy vọng thực hiện giải mã tốt hơn. Thuật toán mã Turbo lặp với lần lặp thứ n nhƣ sau:
Bộ giải mã SOVA1 có ngõ vào là chuỗi Lcy1(hệ thống), Lcy2 (parity), và cho ra chuỗi Le2(u’). Đối với lần lặp đầu tiên, chuỗi Le2(u’)=0 bởi vì không có giá trị tiền
36
nghiệm(không có giá trị ngoại laitừ SOVA2). Thông tin ngoại laitừ SOVA1 đƣợc tính
bằng
Le1(u’)= L1(u’) - Le2(u’)- Lcy1 (1.8) Trong đó: 1. rate N E Lc o b 4
2. Các chuỗi Lcy1 và Le1(u’) đƣợc ghép xen là I{(Lcy1)}và I{Le1(u’)}.
Bộ giải mã SOVA2 có ngõ vào là các chuỗi Lcy1 (hệ thống), và I(Lcy3)(parity đã đƣợc ghép xen ở bộ giải mã) và I{Le1(u’)} (thông tin a priori) và cho ra các chuỗi I{L2(u’)} và I{u’} .
Thông tin ngoại laitừ SOVA2 đƣợc lấy là:
I{Le2(u’)} = I{L2(u’)} - I{Le1(u’)} - I(Lcy1) Các chuỗi I{Le2(u’)} vàI{u’} đƣợc giải ghép xen và là Le2(u’) và u’.
Le2(u’) đƣợc hồi tiếp về SOVA1 nhƣ là thông tin tiền nghiệmcho lần lặp kế tiếp và u’ là ngõ ra của các bit đƣợc ƣớc đoán cho lần lặp thứ n.
Kết luận
Kết quả nghiên cứu đƣợc của chƣơng I :
Tìm hiểu đƣợc về 2 loại mã kênh cơ bản là mã khối và mã chập trong hệ thống thông tin số.
Tìm hiểu đƣợc cấu trúc mã Turbo tổng quát và bộ mã Turbo điển hình PCCC là
sự ghép nối của hai hay nhiều bộ mã RSC có kết hợp kỹ thuật ghép xen.
37
CHƢƠNG II
MÃ TURBO TRONG HỆ THỐNG W-CDMA 2.1. Công nghệ W - CDMA
WCDMA (Wideband CDMA) là một công nghệ phát triển của GSM để tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu bằng cách sử dụng kỹ thuật CDMA hoạt động ở băng rộng thay thế cho TDMA. Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ thứ ba thì WCDMA nhận đƣợc sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bít thấp và trung bình.
Một số đặc điểm của W - CDMA:
- Là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp, có tốc độ bit cao (lên đến 2 Mbps).
- Tốc độ chip 3,84 Mcps với độ rộng sóng mang 5 MHz, do đó hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao đem lại nhiều lợi ích nhƣ độ lợi đa phân tập.
- Hỗ trợ tốc độ ngƣời sử dụng thay đổi liên tục. Mỗi ngƣời sử dụng đƣợc cung cấp một khung, trong khung đó tốc độ dữ liệu giữ cố định nhƣng tốc độ có thể thay đổi từ khung này đến khung khác.
- Hỗ trợ hai mô hình vô tuyến FDD và TDD. Trong mô hình FDD sóng mang 5 Mhz sử dụng cho đƣờng lên và đƣờng xuống, còn trong mô hình TDD sóng mang 5 Mhz chia sẻ theo thời gian giữa đƣờng lên và đƣờng xuống.
- WCDMA hỗ trợ hoạt động không đồng bộ của các trạm gốc, do đó dễ dàng phát triển các trạm gốc vừa và nhỏ.
- WCDMA sử dụng tách sóng có tham chiếu đến sóng mang dựa trên
kênh hoa tiêu, do đó có thể nâng cao dung lƣợng và vùng phủ.
- WCDMA đƣợc thiết kế tƣơng thích với GSM để mở rộng vùng phủ
sóng và dung lƣợng của mạng.
- Lớp vật lý mềm dẻo dễ tích hợp đƣợc tất cả thông tin trên một sóng mang.
38 - Hệ số tái sử dụng bằng 1.
- Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến.
2.2. Kiến trúc cho công nghệ WCDMA theo 3GPP
Để xây dựng tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 các tổ chức quốc tế sau đây đƣợc hình thành dƣới sự điều hành chung của ITU:
a) 3GPP (3rd Generation Partnership Project): Đề án của các đối tác thế hệ ba).
Bao gồm các thành viên sau:
- ETSI ở châu Âu.
- TTA ở Hàn Quốc.
- ARIB, TTC ở Nhật.
- T1P1: Mỹ
b) 3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2: Đề án của các đối tác thế hệ ba
thứ hai). Bao gồm các thành viên sau:
- TIA, T1P1: Mỹ
- TTA: Hàn Quốc
- ARIB,TTC: Nhật
Hiện nay hai tiêu chuẩn đã đƣợc chấp thuận cho IMT-2000 là:
W-CDMA đƣợc xây dựng từ 3GPP.
cdma2000 đƣợc xây dựng từ 3GPP2.
Mạng di động thế hệ 3 đƣợc xây dựng theo các phát hành chính đƣợc gọi là R3, R4, R5 và R6. Trong đó R3 và R4 có mạng lõi bao gồm hai miền chuyển mạch: Miền CS (Circuit Switch: Chuyển mạch kênh) và PS (Packet Switch: Chuyển mạch gói). Việc kết hợp này phù hợp với giai đoạn đầu khi PS chƣa đáp ứng tốt các dịch vụ thời gian thực nhƣ thoại và hình ảnh. Khi đó miền CS sẽ thực hiện các dịch vụ thoại, còn các dịch vụ số liệu đƣợc truyền trên miền PS. R4 phát triển hơn R3 ở chỗ CS chuyển sang chuyển mạch mềm, vì thế toàn bộ mạng truyền tải giữa các nút chuyển mạch đều trên IP.
39
- Phát hành 1999 (R3) tháng 12/1999.
- Phát hành 4 (R4) tháng 03/2001.
- Phát hành 5 (R5) tháng 02/2001.
- Phát hành 6 (R6) tháng 12/2004.
Trong báo cáo chỉ trình bầy cụ thể kiến trúc của hệ thống W - CDMA R3. Đây là kiến trúc mạng 3G sử dụng công nghệ W - CDMA trong 3GPP năm 1999, tập tiêu chuẩn đầu tiên cho hệ thống UMTS.
Hình 2.1. Kiến trúc mạng 3G trong 3GPP phát hành năm 1999
Mạng UMTS R3 có hỗ trợ cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Tốc độ thông tin lên tới 384 Kbps trong miền chuyển mạch kênh và 2 Mbps trong miền chuyển mạch gói. Các kết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấp một tập các dịch vụ mới cho ngƣời sử dụng di động gồm: Điện thoại có hình (hội nghị Video) âm thanh chất lƣợng cao (CD) và tốc độ truyền cao tại đầu cuối.
Mạng UMTS R3 gồm ba phần chính đó là: Thiết bị di động (UE: User Equipment), mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Network) và mạng lõi (CN: Core Network).
40
2.2.1. Thiết bị ngƣời sử dụng
Thiết bị ngƣời sử dụng (UE): Là đầu cuối mạng UMTS của ngƣời sử dụng. là phần có nhiều thiết bị nhất và sự phát triển của nó sẽ ảnh hƣởng lớn lên các ứng dụng và các dịch vụ khả dụng.
- Thiết bị đầu cuối (TE: Terminal Equipment): Trong mạng 3G, thiết bị đầu cuối không đơn thuần dành cho điện thoại mà còn cung cấp dịch vụ số liệu mới.
- Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment): Là đầu cuối vô tuyến để giao tiếp với mạng qua đƣờng vô tuyến.
- Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subcriber Identity Module Là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng thuê bao. USIM chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng, nhận thực thuê bao và có thể giữ các khóa nhận thực cùng một số thông tin thuê bao cần thiết cho thiết bị đầu cuối. Ngƣời sử dụng phải tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mã PIN. Điều này đảm bảo rằng chỉ ngƣời sử dụng đích thực mới đƣợc truy nhạp UMTS, và mạng cũng chỉ cung cấp dịch vụ cho ngƣời nào sử dụng đầu cuối dựa trên nhận dạng USIM đƣợc đăng ký.
2.2.2. Mạng truy nhập vô tuyến UMTS
Mạng truy nhập vô tuyến UMTS ( UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access
Netwok): Là mạng liên kết giữa ngƣời sử dụng và mạng lõi. Nó bao gồm một hay nhiều hệ thống con mạng vô tuyến RNS (Radio Network Subsystem), trong một RNS gồm một RNC và gồm một hay nhiều nút B (node B).
UTRAN đƣợc định nghĩa giữa hai giao diện: Giao diện Iu giữa UTRAN và mạng lõi (CN) gồm hai phần là IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyển mạch kênh và giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị ngƣời dùng (UE).
Các đặc tính chính của UTRAN:
- Hỗ trợ UTRAN và tất cả các chức năng liên quan. Đặc biệt là các ảnh hƣởng chính lên việc thiết kế là yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm (một đầu
41 cuối kết nối qua hai hay nhiều ô tích cực) và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù WCDMA.
- Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói bằng một ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến duy nhất và bằng cách sử dụng một giao diện để kết nối từ UTRAN đến cả hai vùng PS và CS của mạng lõi.
- Đảm bảo tính chung nhất với GSM khi cần thiết.
- Sử dụng truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN.
Hai thành phần của UTRAN là bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) và node B.
2.2.3. Bộ điều khiển mạng vô tuyến
Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC: Radio Network Controller): Là một phần tử mạng, chịu tránh nhiệm cho một hay nhiều trạm gốc và điều khiển tài nguyên cho chúng. Đây cũng chính là điểm truy nhập dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho mạng lõi (CN). Nó đƣợc nối đến CN bằng hai kết nối, một cho miền chuyển mạch gói đến SGSN và một đến chuyển mạch kênh đến MSC.
Các chức năng chính của RNC: - Điều khiển tài nguyên vô tuyến - Cấp phát kênh
- Thiết lập điều khiển công suất - Điều khiển công suất vòng hở - Điều khiển chuyển giao - Phân tập Macro
- Mật mã hóa
42
2.2.4. Node B
Trong hệ thống UMTS, trạm gốc đƣợc gọi là node B và nhiệm vụ của nó là thực hiện kết nối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với nó. Nó nhận tín hiệu trên giao diện Iub từ RNC và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu. Nó cũng thực hiện một số thao tác quản lý tài nguyên vô tuyến cơ sở nhƣ “điều khiển công suất vòng trong”. Tính năng này là để phòng ngừa vấn đề gần xa, nghĩa là khi tất các đầu cuối đều phát cùng một công suất, thì các đầu cuối gần node B nhất sẽ che lấp tín hiệu từ các đầu cuối ở xa. Node B kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối khác nhau và thông báo cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho node B luôn thu đƣợc công suất nhƣ nhau tại tất cả các đầu cuối.
2.2.5. Mạng lõi
Mạng lõi CN (Core Network) của hệ thống UMTS chia thành hai phần: Chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Thành phần chuyển mạch gói gồm những nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN: Serving GPRS Support Node) và cổng hỗ trợ dịch vụ GPRS (GGSN: Gateway GPRS Support Node). Thành phần chuyển mạch kênh là MSC và GMCS. Một số thành phần của mạng nhƣ HLR và AuC đƣợc chia sẻ cho cả hai phần. Cấu trúc của mạng lõi có thể đƣợc thay đổi khi các dịch vụ mới và các đặc điểm mới của hệ thống đƣợc đƣa ra. Các phần tử chính trong mạng lõi:
SGSN (Serving GPRS Support Node): Là nút chính của miền chuyển mạch gói. Nó nối đến UTRAN thông qua giao diện IuPS và đến GGSN thông qua giao diện Gn. SGSN chịu trách nhiệm cho tất cả kết nối PS của tất cả các thuê bao. Nó lƣu hai kiểu dữ liệu thuê bao: Thông tin đăng ký thuê bao và thông tin vị trí thuê bao.
Số liệu thuê bao lƣu trong SGSN gồm:
- IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: Số nhận dạng thuê bao - di động quốc tế).
- Các nhận dạng tạm thời gói (P-TMSI: Packet - Temporary Mobile - Subscriber Identity: Số nhận dạng thuê bao di động tạm thời gói).
- Các địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói).