HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG HOÀNG ĐỨC TỈNH NGHIÊN CỨU CÁC SƠ ĐỒ MÃ HÓA KÊNH, ĐAN XEN VÀ PHỐI HỢP TỐC ĐỘ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG BĂNG RỘNG 4G LTE Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2012 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Phản biện 1: ……………… …….……………………………… Phản biện 2: ………………………………… ………………… Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: -Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1 MỞ ĐẦU Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 và thứ 3 vẫn đang phát triển không ngừng nhưng các công ty viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu tiến hành triển khai thử nghiệm các chuẩn di động thế hệ mới 4G với nhiều tiềm năng, trong đó có công nghệ LTE (Long Term Evolution). Một trong những vấn đề cốt lõi trong quá trình chuẩn hóa 4G LTE của tổ chức 3GPP là việc nghiên cứu và áp dụng các phương thức mã hóa kênh, đan xen cùng với nguyên lý phối hợp tốc độ cho mục đích sửa lỗi phía trước. Với mục đích mang lại một cái nhìn rõ hơn về các phương pháp mã hóa kênh đan xen và phối hợp tốc độ, ứng dụng của các phương pháp này vào hệ thống thông tin di động băng rộng 4G LTE, tôi đã chọn đề tài tốt nghiệp của mình là: “ Nghiên cứu các sơ đồ mã hóa kênh đan xen và phối hợp tốc độ trong hệ thống thông tin di động băng rộng 4G LTE ”. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, người đã luôn chỉ bảo tôi nhiệt tình trong quá trình làm luận văn. Đồng thời cũng xin gửi lời cảm ơn tới người thân, bạn bè, đồng nghiệp,…đã tạo điều kiện cho tôi có thể hoàn thành luận văn này. Hà Nội, ngày 24 tháng 06 năm 2012 Hoàng Đức Tỉnh 2 CHƯƠNG 1. CÁC THÁCH THỨC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG BĂNG RỘNG 4G LTE. 1.1. Tổng quan hệ thống thông tin di động băng rộng 4G LTE. 3GPP đã khởi động việc nghiên cứu phát triển hệ thống thông tin di động 4G vào tháng 11 năm 2004, bắt đầu từ hội thảo về phát triển công nghệ RAN cho mạng di động băng rộng tại Toronto, Canada. Hội thảo này nhận được sự quan tâm của rất nhiều các tổ chức, bao gồm cả những tổ chức thành viên và không thành viên của 3GPP với hơn 40 bài đóng góp về vấn đề phát triển mạng truy nhập vô tuyến từ các tổ chức khác nhau trong lĩnh vực thương mại di động như các nhà cung cấp dịch vụ, các nhà sản xuất thiết bị đầu cuối, và các tổ chức nghiên cứu. Một tập hợp các yêu cầu mới đã được đề cập trong hội thảo nhằm cải thiện thêm chất lượng dịch vụ và giảm chi phí cho nhà cung cấp và người sử dụng dịch vụ. Các yêu cầu đặt ra bao gồm. - Tăng dung lượng hệ thống và giảm thiểu chi phí trên từng bit được truyền đi cũng như tối ưu phổ tần 2G, 3G đang tồn tại với phổ tần mới. - Cải thiện tốc độ truyền dữ liệu so với hệ thống 3G hiện tại, mục tiêu là đạt được tốc độ 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên. - Tốc độ truyền dữ liệu cao hơn, với vùng phủ sóng rộng hơn và sử dụng linh hoạt giữa băng tần sẵn có và băng tần mới. - Dung lượng hệ thống sẽ được tăng gấp 3 lần so với các hệ thống hiện tại, đồng thời chất lượng dịch vụ sẽ được cải thiện với nhiều dịch vụ mới ở chi phí thấp hơn. 1.1.2. Kỹ thuật đa truy nhập trong LTE. - OFDMA cho đường xuống. - SC-FDMA cho đường lên. 3 1.1.3. Kiến trúc mạng. Kiến trúc E-UTRAN bao gồm : - eNodeB (Enhanced Node B). - aGW (access Gate way). eNodeB là phần tử mạng truy nhập cơ bản gồm một cell hoặc là một trạm thu phát sóng. Nó cung cấp giao diện người sử dụng E-UTRA (PDCP/RLC/MAC/PHY) và giao thức mặt phẳng điều khiển (RRC) tới UE. aGW ở cấp cao hơn eNB. Một aGW có thể kết nối tới một hoặc nhiều eNB tùy thuộc vào thiết kế mạng. aGW thực hiện nhiều các chức năng khác nhau, cùng với khởi tạo tìm gọi (paging), mã hóa dữ liệu mặt phẳng người sử dụng và kiểm soát bearer SAE. Chức năng aGW được chia thành 2 phần, MME (Mobility Management Entity – thực thể quản lý di động) và UPE (User Plane Entity – thực thể quản lý mặt phẳng ngưới sử dụng). 1.1.4. Các giao diện E-UTRAN. Một trong những mục tiêu của E-UTRAN là đơn giản hóa và giảm thiểu số lượng giao diện giữa các phần tử mạng. Các giao diện giữa các phần tử mạng là S1 (eNodeB-aGW) và X2 (giữa các eNodeB). 1.2. Các thách thức trong hệ thống thông tin băng rộng 4G LTE. Cũng như tất cả các hệ thống thông tin di động băng rộng khác, 4G LTE cũng phải giải quyết 2 thách thức chính là sự thay đổi liên tục của kênh vô tuyến và giới hạn về băng thông. 1.2.1 Ảnh hưởng của kênh vô tuyến lên hệ thống 4G LTE. Các yếu tố chính hạn chế thông tin di động bắt nguồn từ môi trường vô tuyến là - Suy hao. Cường độ trường giảm theo khoảng cách. Thông thường suy hao nằm trong khoảng từ 50 tới 150dB tùy theo khoảng cách. C  B w .log 2  1   4 - Che tối. Các vật cản giữa trạm gốc và máy di động làm suy giảm thêm tín hiệu. - Phađing đa đường và phân tán thời gian. Phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ làm méo tín hiệu thu bằng cách trải rộng chúng theo thời gian. Phụ thuộc vào băng thông của cả hệ thống, yếu tố này dẫn đến thay đổi nhanh cường độ tín hiệu và gây ra nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI: Inter Symbol Interference). - Nhiễu. Các máy phát khác sử dụng cùng tần số hay các tần số lân cận khác gây nhiễu cho tín hiệu mong muốn. Đôi khi nhiễu được gọi là tạp âm bổ sung. 1.2.2. Vấn đề băng thông và ảnh hưởng của nó tới truyền dẫn tốc độ cao. Shannon đã đưa ra công cụ lý thuyết để xác định tốc độ cực đại được gọi là dung lượng cực đại mà hệ thống thông tin có thể được truyền trên một kênh thông tin cho trước. Mặc dù trong trường hợp tổng quát, công cụ này khác phức tạp, tuy nhiên trong trường hợp đặc biệt khi thông tin được truyền trên một kênh (hay một đường truyền vô tuyến) chỉ bị ảnh hưởng của tạp âm Gauss trắng cộng, dung lượng kênh C được xác định bởi một biểu thức khá đơn giản sau.   S  N  Từ công thức trên, ta thấy rằng các yếu tố căn bản hạn chế tốc độ số liệu khả dụng là công suất thu khả dụng, hay tổng quát hơn là tỷ số tín hiệu trên tạp âm S/N khả dụng và băng thông khả dụng Bw 1.3. Một số công nghệ then chốt sử dụng trong hệ thống thông tin di động băng rộng 4G LTE. Ngoài việc áp dụng công nghệ OFDM, các công nghệ then chốt sử dụng trong thông tin di động băng rộng 4G LTE bao gồm: - Kỹ thuật đa anten. - Lập biểu, thích ứng đường truyền và HARQ trong 4G LTE. 1.4. Kết luận. Như đã trình bày ở trên, mã hóa kênh là một trong những khía cạnh rất quan trọng trong LTE. Nghiên cứu về mã hóa kênh và các sơ đồ mã hóa kênh trong LTE 5 rất có ý nghĩa nếu ta muốn tìm hiểu tiếp về lập biểu, thích ứng đường truyền và HARQ trong LTE. Các chương tiếp theo sẽ phân tích cụ thể hơn về lý thuyết mã hóa kênh và các phương pháp mã hóa kênh phổ biến được áp dụng trong các chuẩn di động băng rộng, và sơ đồ mã hóa kênh áp dụng trong LTE. 6 CHƯƠNG 2. MÃ HÓA KÊNH VÀ ĐAN XEN. 2.1. Lý thuyết chung về mã hóa kênh. Thông thường mã hoá kênh là quá trình xử lý tín hiệu số được thực hiện sau nguồn tin số và trước điều chế. Nhiệm vụ của nhà thiết kế hệ thống truyền dẫn số là cung cấp một hệ thống kinh tế để truyền thông tin từ nơi phát đến nơi nhận ở tốc độ và mức độ tin cậy mà người sử dụng chấp thuận. Hai thông số quan trọng mà nhà thiết kế có trong tay khi này là: thông số tín hiệu được phát và độ rộng băng tần của kênh truyền dẫn. Hai thông số này cùng với mật độ phổ công suất của tạp âm thu xác định tỷ số giữa năng lượng một bit tín hiệu và mật độ công suất tạp âm, Eb/N0. Tỷ số này xác định đơn trị tỷ số bit lỗi BER (Bit Error Rate) đối với một sơ đồ điều chế cho trước. Các thiết kế thực tế thường đặt ra một giới hạn giá trị mà ta có thể phân bổ cho Eb/N0. Trong thực tế tuỳ theo hoàn cảnh ta thường phải sử dụng một sơ đồ điều chế mà với sơ đồ này không thể đảm bảo chất lượng số liệu. Đối với tỷ số Eb/N0 cố định cách duy nhất để đạt được chất lượng số liệu quy định là sử dụng mã hoá kênh. Lý thuyết mã hóa đã chứng công thức liên quan đến khoảng cách Hamming tối thiểu giữa các từ mã và số bit lỗi mà mã cho phép phát hiện và sửa như sau: * Khả năng phát hiện lỗi: dm = t+1 * Khả năng sửa lỗi: dm ≥ 2t +1 trong đó dm là khoảng cách Hamming cực tiểu giữa các từ mã có thể có trong tập mã còn t là số lỗi mã cho phép phát hiện (trường hợp thứ nhất) và sửa (trường hợp hai). Các mã kênh thường được phân thành hai loại : mã khối tuyến tính và mã xoắn, trong luận văn, ta sẽ xét cụ thể hai loại mã này. 7 2.2. Mã khối tuyến tính. Trong loại mã này luồng thông tin được chia thành các khối có độ dài bằng nhau được gọi là các khối bản tin. Các bit nhận được ở đầu ra của bộ mã hoá được gọi là từ mã. Các bit dư được bổ sung vào các khối theo một thuật toán nhất định phụ thuộc vào loại mã được sử dụng, các bit này thường được gọi là các bit kiểm tra. Các mã khối được xác định bằng ba thông số: độ dài khối bản tin k, độ dài từ mã n và khoảng cách Hamming cực tiểu dm. Tỷ số r = k/n được gọi là tỷ lệ mã. Các bit kiểm tra có độ dài n-k. Bộ mà hoá được ký hiệu (n,k). Hoạt động của bộ mã hoá có thể đựơc biểu diễn toán học ở dạng ma trận hay đa thức. Các ma trận hay các đa thức này được gọi là các ma trận tạo mã hay các đa thức tạo mã. Trong luận văn này chỉ tập trung vào phân tích đa thức tạo mã. Do phạm vi nghiên cứu của đề tài, luận văn chỉ thực hiện nghiên cứu về mã vòng (mã CRC). Một tập con của mã khối tuyến tính. 2.3. Mã vòng. Trong phần này luận văn sẽ trình bày việc sử dụng đa thức tạo mã để xây dựng các bộ tạo mã vòng (mã CRC). Đồng thời luận văn cũng sẽ trình bày về sơ đồ bộ mã hóa vòng dựa trên quá trình tạo mã vòng từ đa thức tạo mã và giải thuật xác định lỗi của khối mã CRC bằng syndrom. 2.3.1. Đa thức tạo mã. Ta có thể biểu diền từ mã là dạng đa thức bậc (n-1) sau đây: c = c0 + c1 x+ c2x 2 + . . . . + cn-1 x n-1 Một mã vòng (n,k) được đặc tả bởi tập đầy đủ các đa thức bậc (n-1) hay thấp hơn và nhận một đa thức bậc thấp nhất (n-k) làm thừa số. Thừa số đặc biệt này được ký hiệu là g(x) và được gọi là đa thức tạo mã của mã này. c(x) = a(x)g(x)mod(x n -1) trong đó m(x) là một đa thức của x. g(x) là đa thức tạo mã được biểu diễn như sau: 8 g(x) = g0 + g1x + g2x 2 + . . . . . + gn-kx n-k trong đó gi={0,1} Còn m(x) là đa thức của khối bản tin k bit được biểu diễn như sau: m(x) = m0 + m1x + m2x 2 + . . . . . . . + mk-1x k- Quá trình thực hiện mã hoá cho một mã vòng (n,k) như sau:  Nhân đa thức bản tin m(x) với x n-k .  Chia x n-k m(x) cho đa thức tạo mã g(x) để được phần dư b(x).  Cộng b(x) với x n-k m(x) để nhận được đa thức từ mã c(x). 2.3.2. Sơ đồ bộ mã hoá vòng. Ba bước trong thủ tục mã hóa vòng nói trên được thực hiện ở bộ lập mã bao gồm một thanh ghi dịch (n-k) tầng có mạch hồi tiếp tuyến tính. Hình 2.1. Sơ đồ bộ mã hóa vòng 2.3.4. Giải thuật xác định lỗi trong mã vòng CRC. Để xác định từ mã nhận được từ bộ mã vòng có bị lỗi hay không ta tính syndome. Bộ tính toán Syndrome có sơ đồ giống như bộ tạo mã chỉ khác ở chỗ các bit của từ mã thu được được đưa vào (n-k) tầng của thanh ghi dịch có hồi tiếp từ phía bên trái [...]... THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE 3.1 Các sơ đồ mã hóa kênh trong LTE Chương 3 trình bày các thủ tục mã hóa kênh trong LTE Đồng thời cũng sẽ trình bày các sơ đồ mã hóa và giải mã kênh được sử dụng cho các kênh truyền tải khác nhau trong hệ thống LTE Hình 3.1 Xử lý kênh DL-SCH, PCH, MCH 14 Hình 3.2 Xử lý mã hóa kênh BCH và DCI 3.2 Chèn mã vòng CRC Bước đầu tiên của quá trình xử lý mã hóa kênh trong LTE, một mã CRC... 3.5.1 Sơ đồ mã hóa xoắn trong LTE LTE sử dụng sơ đồ mã xoắn có độ dài bằng 7, tốc độ mã bằng 1/3 ck 0) ( dk 1) ( dk 2) ( dk Hình 3.6 Sơ đồ mã hóa xoắn trong 4G TLE Với kênh điều khiển, bộ giải mã kênh sẽ hoạt động dựa trên thuật toán Viterbi hoặc thuật toán MAP như đã trình bày ở chương 2 19 3.5.2 Phối hợp tốc độ trong sơ đồ mã hóa kênh điều khiển LTE Hoạt động của bộ đệm vòng trong mô hình phối hợp tốc. .. dụng mã xoắn và mã hóa turbo trong sơ đồ mã hóa kênh của chuẩn UMTS đầu năm 1999 Các bản phát hành sau đó của tổ chức 3GPP như HSPA, LTE đã tăng thêm ưu điểm mã hóa kênh bằng cách giới thiệu thêm các kỹ thuật thích ứng đường truyền, HARQ Chương tiếp theo sẽ phân tích chi tiết hơn về các sơ đồ mã hóa kênh được áp dụng trong LTE 13 CHƯƠNG 3 MÃ HÓA KÊNH ĐAN XEN VÀ PHỐI HỢP TỐC ĐỘ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN. .. là các vấn đề sau:  Tổng quan về LTE, các thách thức và một số phương pháp then chốt để khắc phục các thách thức trong truyền dẫn tốc độ cao ở LTE  Các lý thuyết về mã hóa kênh và một số phương pháp mã hóa kênh phổ biến được chuẩn hóa bởi các tổ chức 3GPP, 3GPP2  Phân tích các sơ đồ mã hóa kênh trong 4G LTE Thực hiện mô phỏng và đánh giá về chất lượng sơ đồ mã hóa turbo trong 4G LTE Hướng nghiên cứu. .. 3.4.4 Phối hợp tốc độ trong mã hóa kênh dữ liệu LTE Với việc áp dụng phương pháp mã hóa điều chế thích ứng, điều chế, mã hóa kênh, và chỉ định tài nguyên trong LTE có thể thay đổi ở mỗi lần truyền lại với số bit mã hóa trong lần truyền lại sẽ khác so với lần truyền đầu tiên Do đó yêu cầu cần có một phương thức phối hợp tốc độ có độ thích ứng và linh hoạt cao Phối hợp tốc độ mã hóa kênh dữ liệu bao gồm các. .. 3.4 Module phối hợp tốc độ trong sơ đồ mã hóa kênh dữ liệu của LTE - Đan xen khối con Sub-block interleaver - Bộ đệm vòng trong LTE : Bộ đệm vòng là thành phần quan trọng nhất của module phối hợp tốc độ trong sơ đồ mã hóa kênh dữ liệu LTE Bộ đệm vòng có trách nhiệm trích bỏ (đục lỗ) hoặc lặp lại các mã gốc nếu cần - Chọn lựa và trích bỏ bit 3.4.5 Giải mã ở phía thu Bộ giải mã turbo trong LTE cũng được... hợp tốc độ kênh điều khiển của LTE cũng tương tự như bộ đệm vòng trong mô hình phối hợp tốc độ kênh dữ liệu được trình bày trước đó 3.6 Kết hợp các khối mã Kết hợp các khối mã được thực hiện khi mà số lượng khối mã lớn hơn 1 (C>1) tức là trong trường hợp mã hóa kênh dữ liệu (sử dụng mã hóa turbo) Kết nối các khối mã thực hiện kết nối theo thứ tự các khối mã khác nhau ở đầu ra của bộ phối hợp tốc độ 3.7... HARQ và các phiên bản dư RV trong LTE HARQ trong LTE (hay còn gọi là yêu cầu tự động lặp lại lai) là một kỹ thuật sửa lỗi bằng cách yêu cầu truyền lại các gói bị lỗi trong quá trình truyền 3.7 Kết luận Cũng giống như với chuẩn 3G UMTS, 4G LTE chủ yếu sử dụng hai phương pháp mã hóa kênh là mã turbo và mã xoắn để mã hóa kênh dữ liệu và kênh điều khiển Tuy nhiên, bộ đan xen nội bên trong của sơ đồ mã hóa. .. trợ tốc độ dữ liệu cao trong LTE Tuy nhiên, việc tăng khả năng hỗ trợ xử lý song song trong sơ đồ mã hóa và giải mã lại dẫn tới sự phức tạp khi xử lý giá trị ngoại lai tới và từ bộ nhớ trong quá trình giải mã 18 3.5 Mã hóa kênh điều khiển trong LTE Không giống như dữ liệu, các thông tin điều khiển (như kênh PDCCH, PBCH) được mã hóa kênh bằng mã xoắn Hình 3.5 Xử lý mã hóa kênh điều khiển trong LTE. .. Code: mã xoắn móc nối song song) Mã này bao gồm nhiều bộ mã hoá thành phần Để đạt đựơc hiệu năng tốt, các mã thành phần phải là các mã hồi quy nhưng không nhất thiết phải là các mã hệ thống Tuy nhiên để đơn giản các mã thành phần thường được sử dụng là các mã hệ thống và vì thế các mã RSC (Recursive Systematic Convolutional: Mã xoắn hồi quy hệ thống) thường được sử dụng Mã xoắn được coi là mã xoắn hệ thống . mình là: “ Nghiên cứu các sơ đồ mã hóa kênh đan xen và phối hợp tốc độ trong hệ thống thông tin di động băng . hơn về các phương pháp mã hóa kênh đan xen và phối hợp tốc độ, ứng dụng của các phương pháp này vào hệ thống thông tin di động băng rộng 4G LTE, tôi