Mã turbo trong thông tin di động 3g

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG






Nguyễn Trung Hiếu


MÃ TURBO TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G




Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.70





TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2011

Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG


Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Đinh Thế Cường

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

Mở đầu
Trong xã hội ngày nay, thông tin mang ý nghĩa hết sức quan trọng. Vì vậy trong những năm
qua , các nhà khoa học, các nhà cung cấp dịch vụ không ngừng nghiên cứu để cải thiện chất
lượng dịch vụ và cung cấp những dịch vụ mới nhằm đáp ứng nhu cầu về sử dụng dịch vụ thông
tin của con người, đặc biệt là trong lĩnh vực thông tin di động.
Nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng tăng cả về số lượng, chất lượng và các loại hình dịch
vụ kèm theo đòi hỏi phải tìm ra các phương thức mới để nâng cao và phát triển mới có thể đáp
ứng được các nhu cầu đó. Chính vì vậy thông tin di động 3G được đưa ra nhằm giải quyết phần
nào vấn để đó.
Hệ thống thông tin di động 3G ra đời đã chứng minh được những ưu điểm của mình so với
các hệ thống trước đó, nhưng vấn đề đặt ra là giải quyết làm sao cho việc trao đổi thông tin và
cung cấp dịch vụ đạt hiệu quả nhất.
Có rất nhiều các công nghệ, kỹ thuật được đưa ra nhằm giải quyết vấn để này và kỹ thuật mã
kênh trong trong thông tin di động được đưa vào sử dụng đã chứng minh được ưu điểm của
mình. Trong quá trình mã hóa, mã turbo thường được sử dụng và đem lại kết quả rất khả
quan.Vấn để đưa ra là làm sao cho việ sử dụng mã turbo đem lại kết quả tốt nhất. Vì thế việc “cải

thiện chất lượng mã turbo trong thông tin di động 3G” đang rất được quan tâm.
Do thời gian có hạn, luận văn không thể trình bày hết được tổng thể của các mạng 3G nên
Trong luận văn này sẽ đi sâu vào tìm hiểu về mạng WCDMA là chủ yếu.
Cấu trúc luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về thông tin di động 3G
Nội dung của chương giúp ta tìm hiểu một cách tổng quan vẻ mạng di động 3G như lịch sử
phát triển, các kỹ thuật hay được sử dụng mà ở đây là 2 công nghệ chính đó là điều khiển công
suất và kỹ thuật chuyển giao.
Chương 2: Phương pháp mã hóa trong thông tin di động 3G (WCDMA)
Nội dung của chương 2 tìm hiểu về cấu trúc cụ thể của một mạng di động 3G cũng như lớp
vật lý của WCDMA. Qua chương 2 cũng đưa ra các kỹ thuật mã hóa thường được sử dụng trong
WCDMA.
Chương 3: Mã turbo trong thông tin di động 3G
Đây cũng là chương chính của luận văn, chương này trình bày về cấu trúc của bộ mã hóa và
bộ giải mã turbo. Trong chương này cũng trình bày một phương pháp để nhằm cải thiện chất
lượng mã turbo trong thông tin di động 3G nhờ kết hợp mã turbo với điều chế 4PSK.









Chương 1
TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG

Trong chương này chúng ta tìm hiểu về lịch sử phát triển của thông tin di động và thông tin di
động 3G cùng một số phương pháp làm tăng tính hiệu quả trong quá trình phát triển dịch vụ của 3G

như: điều khiển công suất, chuyển giao mềm,…

1.1. Lịch sử phát triển thông tin di động
Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm tại ST Louis, băng Missouri
của Mỹ.
Tháng 12-1971 đưa ra hệ thống cellular kỹ thuật tương tự, FM ở dải tần số 850Mhz. Dựa
trên công nghệ này đến năm 1983, mạng điện thoại di động AMPS (Advance Mobile Phone
Service) phục vụ thương mại đầu tiên tại Chicago nước Mỹ (1G)
Thế hệ thứ 2 (2G) được phổ biến trong suốt thập niên 90. Đây là thời kỳ chuyển đổi các
công nghệ từ analog sang digital.
Thế hệ thứ 3 (3G), từ năm 1992 Hội nghị thế giới truyền thông dành cho truyền thông một
số giải tần cho hệ thống thông tin di động 3G: phổ rộng 230MHz trong giải tần 2GHz, trong đó
60MHz được dành cho liên lạc vệ tinh. Sau đó Liên Hiệp Quốc Tế Truyền Thông (UIT) chủ
trương một hệ thống thông tin di động quốc tế toàn cầu với dự án IMT- 2000 sử dụng trong các
dải tần 1885-2025MHz và 2110-2200MHz.
Thế hệ 3G gồm các kỹ thuật: W-CDMA (Wide band CDMA) kiểu FDD và TD-CDMA
(Time Division CDMA) kiểu TDD. Dịch vụ bắt đầu từ năm 2001 - 2002.
1.2. Giới thiệu về hệ thống thông tin di động 3G
1.2.1. Lịch trình nghiên cứu phát triển hệ thống thông tin di động thế hệ ba
Công trình nghiên cứu của các nước Châu Âu cho W-CDMA đã bắt đầu từ các đề án
CDMT (Code Division Multiple Testbed): Phòng thí nghiệm đa truy nhập theo mã) và FRAMES
(Future Radio Multiple Access Scheme: Sơ đồ đa truy nhập vô tuyến tương lai) từ đầu thập niên
90.
* Lịch trình nghiên cứu và đưa mạng W-CDMA vào khai thác:
Ở Châu Âu và Châu Á, hệ thống W-CDMA được đưa ra khai thác vào đầu năm 2002
Lịch trình nghiên cứu phát triển của cdma2000/3GPP2 chia thành 2 pha:
- Pha 1: (1997 – 1999)
Nghiên cứu phát triển mẫu đầu tiên của hệ thống.
- Pha 2: (2000 -2002)
+ Phát triển hệ thống với mục tiêu thương mại ở các nhà sản xuất hàng đầu ;

+ Năm 2002: Bắt đầu dịch vụ thương mại
1.2.2.Các chuẩn của 3G
Lúc đầu 3G được dự kiến là một chuẩn thống nhất trên thế giới, nhưng trên thực tế, thế giới
3G đã bị chia thành 4 phần:
UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), dựa trên công nghệ truy cập vô
tuyến W-CDMA, là giải pháp nói chung thích hợp với các nhà khai thác dịch vụ di động (Mobile
Network operator) sử dụng GSM.
FOMA: Thực hiện bởi công ty viễn thông NTT DoCoMo Nhật bản vào năm 2001, được coi
như một dịch vụ thương mại 3G đầu tiên và không tương thích với UTMS dù sử dụng công nghệ
WCDMA.
CDMA2000: Là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95. CDMA2000 cung cấp
tốc độ dữ liệu từ 144kbit/s tới trên 3Mbit/s.
TD-SCDMA đang được phát triển tại Trung Quốc bởi công ty Datang Và Siemens. Hỗ trợ
tốc độ từ 384kbit/s đến 2Mbit/s.
1.2.3.Các Thông số kỹ thuật.
Các thông số kỹ thuật của WCDMA được mô tả bởi bảng dưới đây.
Bảng 1.2. Bảng thông số kỹ thuật của WCDMA
Băng thông kênh 5MHZ
Chế độ song công FDD và TDD
Cấu trúc kênh RF đường
xuống
Lan truyền trực tiếp
Tốc độ chip 3.84Mbps
Độ rộng khung 10ms
Điều chế trải phổ Cân bằng QPSK
(spreading modulation) (đường xuống)
kênh kép QPSK (đường
lên)

Điều chế dữ liệu QPSK (Đường

xuống)
BPSK (Đường lên)
Mã hóa kênh Mã xoắn và mã turbo

Phát hiện kết hợp Người dùng kênh
hoa tiêu chuyên dụng
ghép theo thời gian
(UL(up link) và
DL(Down link)) và kênh
hoa tiêu chung ở DL
Ghép kênh ở đường xuống Ghép kênh theo thời
gian kênh điều khiển và
kênh dữ liệu.
Ghép kênh trong đường
lên
Ghép kênh theo thời
gian kênh điều khiển và
kênh hoa tiêu. Ghép kênh
I &Q cho kênh dữ liệu và
kênh điều khiển
Nhiều giá trị Biến đổi trải phổ và
đa mã
Hệ số trải phổ 4-256 UL và 4-
512DL
Điều khiển công suất Vòng hở và vòng kín
nhanh (1.6Khz)
Trải phổ (spreading) (DL) Chuỗi OVSF cho
tách kênh và chuỗi Gold
2
18

-1 dùng cho tách cell
và tách người sử dụng
Trải phổ (spreading )(UL) Chuỗi OVSF và
chuỗi Gold 2
41
dùng cho
tách người sử dụng
Chuyển giao Chuyển giao mềm và
chuyển giao cứng nội tần

1.3. Các kỹ thuật dùng trong 3G
1.3.1. Điều khiển công suất
1.3.1.1. Ý nghĩa của điều khiển công suất
Việc điều khiển công suất được đưa vào để giải quyết vấn đề “gần – xa” và để tăng tối đa
dung lượng hệ thống. Điều khiển công suất là điều khiển suất phát từ mỗi thuê bao sao cho công
suất thu của mỗi thuê bao ở trạm gốc bằng nhau. Do công suất phát của máy thấp nên có thể làm
tăng tuổi thọ của pin.
1.3.1.2. Phân loại điều khiển công suất.
Khi xét đến một hệ thống điều khiển công suất thực tế ta cần chú ý xem xét các mặt sau:
* Tiêu chuẩn chất lượng
* Những phép đo
* Thời gian trễ
Dựa vào các tiêu chí đặt ra để phân loại điều khiển công suất người ta phân việc điều khiển
công suất ra làm 2 loại chính đó là: Điều khiển công suất vòng hở và điều khiển công suất vòng
kín.
1.3.1.2.1. Điều khiển công suất vòng hở .
1.3.1.2.1.1. Điều khiển công suất vòng hở đường lên.
Chức năng PC (Power Control) được thực hiện cả ở đầu cuối và UTRAN. Chức năng này
đòi hỏi một số thông số điều khiển được phát quảng bá trong ô và công suất mã tín hiệu thu được
RSPC (Received Signal Code Power) được đo tại UE (User Equipment) trên P-CPICH (Primary

Common Pilot Channel) tích cực.
1.3.1.2.1.2. Điều khiển công suất vòng hở đường xuống.
Trên đường xuống, PC vòng hở để thiết lập công suất khởi đầu các kênh đường xuống trên
cơ sở báo cáo đo đạc từ UE. Chức năng này được thực hiện cả ở UE và UTRAN (Universal
Terrestrial Radio Access Network).
1.3.1.2.2. Điều khiển công suất vòng kín
1.3.1.2.2.1. Điều khiển công suất vòng trong đường lên.
Điều khiển công suất vòng trong đường lên được sử dụng để thiết lập công suất DPCH
(Dedicated Physical Channel) và CPCH (Common Physical Chanel) đường lên. Node B nhận
được SIR đích từ UL PC vòng ngoài ở RNC và so sánh nó với SIR ước tính trên ký hiệu hoa tiêu
của DPCCH (Dedicated Physical Control Chanel ) đường lên trong từng khe. Nếu SIR thu được
lớn hơn SIR đích, Node B phát lệnh “hạ thấp” đến UE, ngược lại Node B phát lệnh “tăng thêm”
đến UE trên DPCCH đường xuống.
1.3.1.2.2.2. Điều khiển công suất vòng trong đường xuống
UE nhận BLER (block error rate) đích do RNC (Radio Network Controller) thiết lập cho
DL PC vòng ngoài cùng với các thông số điều khiển khác. UE so sánh SIR ước tính với SIR
đích. Nếu ước tính lớn hơn đích, UE phát lệnh TPC “giảm phát đường xuống” đến Node B,
ngược lại nó phát lệnh TPC “tăng” đến Node B.
1.3.1.2.2.3. Điều khiển công suất vòng ngoài đường lên
UL PC vòng ngoài thực hiện ở SRNC (Serving Radio Network Controller) để lập SIR đích
tại Node B cho từng UL PC vòng trong. SIR đích được cập nhật cho từng UE dựa trên ước tính
chất lượng đường lên (BLER và BER) cho kết nối RRC(Radio Resource Control).
1.3.1.2.2.4. Điều khiển công suất vòng ngoài đường xuống
DL PC vòng ngoài được thực hiện tại UE, giá trị SIR đích cho DL PC vòng trong được điều
chỉnh bởi UE bằng cách sử dụng một thuật toán riêng đảm bảo chất lượng đo (BLER) giống như
chất lượng đích do RNC thiết lập.
1.3.2. Kỹ thuật chuyển giao
1.3.2.1. Khái quát về kỹ thuật chuyển giao trong mạng di động
Các mạng di động cho phép người dùng truy cập dịch vụ trong khi di chuyển để giúp khách
hàng có thể di chuyển một cách thoải mái mà vẫn sử dụng được dịch vụ nên nó đòi hỏi chuyển

giao vùng đối với thiết bị của người sử dụng để đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ không dây
khi người sử dụng điện thoại di động di chuyển qua các vùng biên giới của trạm thu phát sóng.
Kể từ khi giới thiệu Công nghệ CDMA, một ý tưởng đã được đề xuất để cải thiện việc chuyển
giao là quá trình chuyển giao mềm.
1.3.2.2.Các loại chuyển giao trong hệ thống 3G – WCDMA
Có 4 loại chuyển giao trong hệ thống thông tin di động WCDMA. Đó là:
 Chuyển giao nội bộ hệ thống
Chuyển giao trong hệ thống là chuyển giao xảy ra trong vòng một hệ thống. nó được chia
thành 2 loại là chuyển giao trong một tần số và chuyển giao liên tần số.
 Chuyển giao liên hệ thống
Chuyển giao liên hệ thống là nơi giữa các tế bào có các tế bào có công nghệ công nghệ truy
cập vô tuyến khác nhau (RAT) hoặc chế độ truy nhập vô tuyến khác nhau (RAM). Quyết định
chuyển giao trễ được giảm thiểu đáng kể nhất.
 Chuyển giao cứng (HHO)
HHO là một loại thủ tục HO trong đó tất cả các đường liên kết vô tuyến cũ của một điện
thoại di động được phát trước khi các đường liên kết vô tuyến mới được thành lập.
Chuyển giao cứng có thể xảy ra trong một số trường hợp như: chuyển giao từ một cell này
sang cell khác khi hai cell có cùng tần số sóng mang khác nhau hoặc từ một cell này sang cell
khác khi các cell được nối đến 2 RNC khác nhau và không tồn tại giao diện Iu
r
giữa hai RNC
này.chuyển giao cứng gồm :
+ Chuyển giao cứng cùng tần số
+Chuyển giao cứng khác tần số
 Chuyển giao mềm và mềm hơn.
Chuyển giao mềm là loại phương tiện chuyển giao đặc trưng CDMA thực hiện trong hệ
thống UMTS và tạo thành một trong những tính năng đặc trưng nhất của phương pháp truy cập
WCDMA.
Chuyển giao mềm và mềm hơn xảy ra khi các trạm di động có sự chồng chéo của 2 cell lân
cận. Trong trường hợp trạm di động chuyển giao mềm là vùng phủ sóng của 2 cell trong khu vực

chồng chéo lên nhau thuộc các trạm gốc khác nhau. Chuyển giao mềm hơn là nơi mà một trạm
gốc nhận được 2 tín hiệu người dùng từ hai khu vực liền kề mà nó phục vụ.
1.4.Kết luận chương
Trong chương một chúng ta đã tìm hiểu lịch sử phát triển của thông tin di động cũng như lý
do tại sao cần phải phát triển một thế hệ mới là thông tin di động thế hệ thứ 3 để đáp ứng nhu cầu
của người sử dụng. Qua chương 1 chúng ta cũng nắm được một số phương pháp kỹ thuật được
áp dụng trong 3G nằm nâng cao tính hiệu quả của dịch vụ. Trong chương tiếp theo, chúng ta sẽ
tìm hiểu cụ thể về cấu trúc cụ thể của mạng 3G ( cụ thể là mạng WCDMA) và một số kỹ thuật
mã hóa trong mạng.

Chương 2
CÁC KỸ THUẬT MÃ HÓA TRONG 3G

Trong thông tin di động 3G, kỹ thuật mã hóa đóng vai trò hết súc quan trọng. Nó làm
cho việc truyền tải tín hiệu trở nên thuận tiện, cũng như làm giảm xác suất lỗi trong quá
trình truyền tín hiệu cũng như tăng tốc độ và làm giảm băng thông. Trong chương này đi
sâu vào trình bày về sơ đồ khối tín hiệu trong thông tin di động 3G (WCDMA) và lớp vật lý
trong WCDMA để làm nổi bật chức năng của lớp vật lý, qua đó đưa ra các kỹ thật mã hóa
thường sử dụng trong thông tin di động 3G.

2.1. Sơ đồ khối trong 3G (WCDMA)
2.1.1. Mô hình cấu trúc
Mô hình cấu trúc của WCDMA được mô tả như hình 2.1

Hình 2.1. Mô hình cấu trúc hệ thống WCDMA
Nó bao gồm
+UE (User Equipment)
UE gồm 2 phần:
- Thiết bị di động (ME: mobile Equipment): là đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho thông tin
vô tuyến trên giao diện Uu.

- Module nhận dạng thuê bao UTMS ( USIM): là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận
dạng của thuê bao, thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ các khóa nhận thực và một số
thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối.
+ UTRAN (UMTS: Universal Terestrial Radio Access Network)
Mạng truy cập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy cập vô
tuyến. UTRAN gồm hai phần tử: Node B và RNC.
+ CN (Core Network)
Các phần tử chính của lõi mạng gồm:
- HLR (Home Location Register): Là thanh ghi định vị thường trú lưu giữ thông tin chính về
lý lịch dịch vụ của người sử dụng
- MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Locaton Register): là tổng đài
(MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí của
nó.
- GMSC (Gateway MSC): Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ cổng kết nối với mạng
ngoài.
- SGSN (Servicing GPRS Support Node): Node hỗ trợ GPGS đang phục vụ, có chức năng
như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS).
- GGSN (Gateway GPRS Support Node): Node hỗ trợ GPRS đang phục vụ, có chức năng
như GMSC nhưng chỉ phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói.
+Các mạng ngoài:
- Mạng CS: Mạng đảm bảo các kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh. VD: ISDN,
PSTN.
- Mạng PS: mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói. VD: internet.
+Các giao diện vô tuyến
- Giao diện Cu : Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME.
- Giao diện Uu: Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ thống.
- Giao diện Iu (UTTRAN- CN):
 Cung cấp cho các nhà khai thác mạng khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác
nhau.
 Là một giao diện mở để chia hệ thống thành UTRAN đặc thù và CN. Iu có thể có hai trường hợp

khác nhau : Iu
cs
(Kết nối UTRAN với CS chuyển mạch kênh) và Iu
ps
(Kết nối UTRAN với CS chuyển
mạch gói)
- Giao diện Iu
r
: Cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ nhà sản xuất khác nhau
- Giao diện Iu
b
: Giao diện cho phép kết nối một node B với một RNC.
2.1.2. Cấu trúc phân lớp của WCDMA


Hình 2.2. Cấu trúc phân lớp của WCDMA
Giao diện vô tuyến được phân thành 3 lớp giao thức:
- Lớp vật lý (L1): Đặc tả các vấn đề liên quan đến giao diện vô tuyến như: Mã hóa, điều chế,
trải phổ…
- Lớp kết nối số liệu(L2): Lập khuôn số liệu vào các khối số liệu và đảm bảo truyền dẫn tin
cây giữa các node lân cận hay các thực thể đồng cấp.
- Lớp mạng(L3): Đặc tả đánh địa chỉ và định tuyến.
2.2. LỚP VẬT LÝ TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G (WCDMA)
Trong lớp vật lý chúng ta tìm thấy các kênh chung, chúng được truyền đi và nhận về bởi tất cả
các người sử dụng, và các kênh chuyên dụng, được độc quyền cho từng người sử dụng. Mỗi UE
sẽ biết được các mã dành riêng cho các kênh chung và các mã độc quyền dành riêng cho chúng,
nhưng không biết được các mã của các kênh riêng cho các UE khác.
Lớp L1 cung cấp dịch vụ truyền tải dữ liệu đến các lớp cao hơn bằng kênh truyền tải. Các
dịch vụ này được cung cấp thông qua các liên kết vô tuyến, hình thành một hoặc một số kênh
truyền tải và một kênh vật lý được thành lập bằng các đường truyền tín hiệu.

2.2.1. Cấu trúc lớp vật lý
Lớp vật lý được chia thành hai lớp con là lớp truyền tải con và lớp vật lý con.
2.2.1.1.Kênh vật lý
Kênh vật lý được miêu tả gồm :
Khung vô tuyến: Dài 10 ms (38400 Chips) và nó được chia thành 15 khoảng thời gian (khe).
Khe thời gian: khe này mang các trường của các bit kéo dài 2/3 ms tương ứng với 2560
Chips.
Các kênh vật lý gồm:
* Kênh vật lý đường lên (UPCH):
+Kênh UPCH riêng :
-Kênh số liệu vật lý riêng (DPDCH)
-Kênh điều khiển vật lý riêng ( CPCCH )
+ Kênh UPCH chung:
-Kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý(PRACH)
-Kênh gói chung vật lý(PCPCH)
* Kênh vật lý đường xuống(DPCH)
+Kênh DPCH riêng
+Kênh DPCH chung
-Kênh hoa tiêu chung(CPICH)
-kênh vật lý điều khiển chung – sơ cấp(P-CCPCH)
-Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp(S-CCPCH)
-Kênh đồng bộ (SCH)
-Kênh vật lý đường xuống dùng chung (PDSCH)
-Kênh chỉ thị bắt (AICH)
-Kênh chỉ thị tìm gọi (PICH)
2.2.1.2.Các kênh truyền tải
Các kênh truyền tải có hai loại là kênh truyền tải chung và kênh truyền tải riêng. Điểm khác
nhau giữa chúng là kênh chung là tài nguyên được chia sẻ cho tất cả hoặc một nhóm người trong
cell, còn kênh riêng là tài nguyên được ấn định cho một người dung duy nhất.
*Kênh truyền tải riêng

Kênh truyền tải riêng mang thông tin từ các lớp trên lớp vật lý riêng cho một UE. Bao gồm
số liệu cho dịch vụ hiện thời cũng như thông tin điều khiển lớp cao. Các kênh riêng hỗ trợ
chuyển giao mềm.
* Kênh truyền tải chung
+ Kênh quảng bá (BCH)
+ Kênh truy cập đường xuống (FACH):
+ Kênh tìm gọi (PCH)
+ Kênh truy cập ngẫu nhiên (RACH
+ Kênh gói chung đường lên (CPCH)
+ Kênh đường xuống dùng chung (DSCH)
2.2.2. Chức năng của lớp vật lý
2.2.2.1.Chức năng lớp vật lý con
* Xử lý các kênh vật lý.
+ Ghép kênh theo thời gian của dữ liệu và điều khiển các bít.
+ Điều chế NRZ.
Nó bao gồm kết hợp một tín hiệu băng gốc với thông tin trong bit đến từ các bước trước.
+ Chuyển đổi nối tiếp-song song.
Nó được sử dụng trong đường xuống trong tất cả các kênh (ngoại trừ trong SCH) để kết hợp
mỗi cặp liên tiếp ký hiệu là "I" hoặc "Q".
+ Lan truyền tín hiệu.
Nó được bao gồm trong quá trình kênh hóa và xáo trộn.
+ Ghép các kênh vật lý.
Nó là tổng hợp những chức năng của từng kênh ghép lại. Trong đường lên, nó chỉ được sử
dụng cho kênh DPDCHs và kênh DPCCH.
+ Điều chế analog.
Nó được bao gồm chuyển tín hiệu ở tần số khoảng 2GHZ trong môi trường truyền không
khí
* Điều khiển công suất
2.2.2.2. Chức năng lớp truyền tải con
Các dữ liệu đến ở lớp truyền tải con dưới hình thức của các khối truyển tải bởi mỗi khoảng

thời gian của truyền dẫn. Điều này phụ thuộc của kênh truyền tải cụ thể và có thể có giá trị từ 10,
20, 40 hoặc 80 ms.
* Bổ sung của CRC:
CRC (Cyclic Redundancy Check) được hình thành bởi một tập hợp các bit được thêm vào
các khối truyển tải với mục đích để phát hiện các lỗi có thể.
* Mã Hóa Kênh:
Mục đích của mã hóa kênh là để bảo vệ thông tin chống lại các rối loạn của các kênh (tiếng
ồn, nhiễu, vv ) để cải thiện chất lượng truyền dẫn.
Bảng 2.2. Mã Hóa kênh

* Cân bằng của khung vô tuyến:
Cân bằng của khung vô tuyến bao gồm làm đầy lên các chuỗi bit đầu vào để đảm bảo rằng
đầu ra có thể được phân đoạn trong một số phân đoạn dữ liệu tách rời có cùng kích thước trong
khối phân đoạn của khung vô tuyến.
* Phân đoạn khung vô tuyến:
Khi khoảng thời gian truyền dẫn tốt 10 ms (kích thước khung), các chuỗi bit đầu vào sẽ
được phân đoạn và gắn với khung vô tuyến liên tục.
Kênh truyền tải Mã hóa kênh Tốc độ bộ mã hóa
BCH Mã chập 1/2
PCH
RACH
CPCH, DCH, DSCH,
FACH
1/3, 1/2
Mã hóa turbo 1/3
Không có bộ giải mã
* Tốc độ thích nghi phù hợp:
Nó phục vụ để thích nghi tốc độ nhị phân gốc của kênh truyền tải ở tốc độ nhị phân của các
kênh vật lý.
* Ghép các kênh truyền tải:

Mã hóa kênh truyền tải là ghép kênh nối tiếp hoặc tương tự thế, tại một thời điểm trên một
khung vô tuyến.
* Phân đoạn đoạn của các kênh vật lý:
Khi được sử dụng nhiều hơn một kênh vật lý, trong khối này sẽ có các bít phân chia các
kênh vật lý khác nhau.
* Sắp xếp các kênh vật lý:
Các bit được gắn với các kênh vật lý để cho mỗi kênh vật lý các bit được truyền đi theo cấp
bậc tăng dần.
2.3. Các kỹ thuật mã hóa trong 3G
2.3.1. Mã Vòng
Mã khối là loại mã chia dòng thông tin thành những khối tin có k bit. Mỗi tin được biểu diễn
bằng một khối k thành phần nhị phân u = (u
1
, u
2
, …, u
k
), u được gọi là vector thông tin. Có tổng
cộng 2
k
vector thông tin khác nhau. Bộ mã hóa sẽ chuyển vector thông tin u thành một bộ n
thành phần v= (v
1
, v
2
,…,v
n
) được gọi là từ mã. 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.

Mã hóa vòng dạng hệ thống gồm 3 bước :
+ Nhân đa thức thông tin u(x) với x
n-k.
+
Chia x
n-k
.u(x) cho đa thức sinh g(x), ta được phần dư b(x).
+ Hình thành chia từ mã b(x)+x
n-k

Tất cả các bước trên 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).
Nguyên lý hoạt động:
Bước 1: Cổng đóng cho thông tin qua mạch, k chữ số thông tin u
0
,u
1…
u
k
được dịch vào từ
mạch từ thiết bị đầu cuối để nhân trước u(x) với x
n-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.
Bước 2: Cắt đứt đường hồi tiếp bằng cách điều khiển cho các cổng g
i
hở (không cho thông
tin đi 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.

Hình 2.5. Sơ đồ mã hóa mạch vòng với đa thức sinh
g(x) = 1+g
1
x+g
2
x
2
+…+g
n-k-l
x
n-k-l
+…+x
n-k

2.3.2. Mã xoắn
Ví dụ bộ mã xoắn NSC được chỉ ra trong hình 2.6, dữ liệu đầu vào từ bên trái {X
i
} được lưu trữ
trong thanh ghi dịch tuyến tính (D), mỗi lần bit dữ liệu mới đầu vào được dịch sang bên phải trong các
thanh ghi dịch, khi đó có 2 bit đầu ra là {Z
1, i
và Z
2, i
} được tính toán bằng mạch XOR, các bit được lưu
trữ trong thanh ghi dịch thay đổi theo dữ liệu đầu vào. Và tốc độ của bộ mã hóa r = ½ và độ dài ràng buộc
là K là số bit đầu vào lớn nhất mà bit đầu ra phụ thuộc vào, trong trường hợp này K = 4.


Hình 2.6. Bộ mã xoắn không hệ thống với tốc độ 1/2

Bộ mã xoắn được chỉ ra trong hình 2.6 là không hệ thống, có nghĩa là các bit đầu vào của bộ mã hóa
không xuất hiện ở đầu ra của nó. Như vậy các từ mã chỉ chứa các bit piraty và không thể tách thành dữ
liệu riêng biệt và parity như mong muốn ở mã Turbo. Thay vào đó chúng ta mong muốn là một bộ mã hóa
hệ thống, có đầu vào xuất hiện ở đầu ra. Khi đó từ mã đầu ra có thể phân thành thành phần dữ liệu và
parity. Như ở hình 2.7 một bộ mã xoắn hệ thống đệ quy có thể được tạo ra từ một NSC sử dụng một
đường phản hồi từ một trong hai đầu ra đưa về đầu vào (đường phản hồi làm cho nó có tính đệ quy). Khi
một đầu ra parity được đưa về đầu vào chỉ còn một đầu ra parity khác cần được truyền đi. Điều này cho
phép dữ liệu đầu vào được truyền cùng với đầu ra parity, trong khi đó tốc độ của bộ mã hóa vẫn được duy
trì là r = ½ .




Hình 2.7. Mã xoắn hệ thống đệ quy với tốc độ ½ có thể được sử dụng cho mã Turbo theo chuẩn
UMTS
2.3.3. Mã hóa turbo
Quá trình mã hóa này sẽ được trình bày cụ thể trong chương 3
2.4.Kết luận chương
Trong chương 2 chúng ta đã được tìm hiểu về cấu trúc tổng quát của một mạng di động 3G (
WCDMA) và lớp vật lý trong thông tin di động 3G (WCDMA) gồm cấu trúc cũng như chức năng của
chúng. Qua đó chỉ ra được một số phương pháp nâng cao hiệu quả chất lượng 3G được thực hiện tại lớp
vật lý cụ thể là phương pháp mã hóa. Trong chương này cũng trình bày một số phương pháp mã hóa để
làm nổi bật mã turbo khi được ứng dụng trong 3G sẽ được trình bày cụ thể ở chương sau.

Chương 3
MÃ TURBO TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G(WCDMA)

Mã Turbo được giới thiệu vào năm 1993 gồm 2 mã xoắn đệ quy được kết nối song song
, phân biệt nhờ một bộ xáo trộn ( interleaver) giả ngẫu nhiên và thuật toán giải mã lặp với
chất lượng tiến tới giới hạn Shannon khoản vài phần mười dB. Hiện nay, mã turbo được sử
dụng trong thông tin di động thế hệ thứ 3, 4, trong thông tin vệ tinh, trong truyền thông vũ
trụ…trong chương này trình bày về sự ra đời của mã turbo, quá trình mã hóa và giải mã
turbo cũng như các ứng dụng của nó trong khoa học kỹ thuật ngày nay. Phần cuối chương
trình bày về phương pháp cải thiện chất lượng mã turbo trong thông tin di động 3G cũng
như phần mô phỏng để thấy được sự tối ưu của mã turbo trong thông tin di động 3G so với

các mã khác.

3.1. Sự ra đời của mã Turbo
Các mã turbo lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1993 bởi Bernou, Glavieux và
Thitimajshima, đưa ra giản đồ về xác suất lỗi như là hàm của E
b
/N
0
và số lần lặp. Ở đây giản đồ
đã mô tả được những thành tựu của chúng với xác suất lỗi bit là 10
-5
, sử dụng ở tốc độ ½ qua
kênh nhiễu trắng (AWGN – là kênh có mật độ phổ công suất trải đều ) và điều chế BPSK có tỉ số
E
b
/N
0
= 0.7 dB.
3.2. Sơ đồ mã hóa turbo trong UMTS
Bộ mã hóa được sử dụng cho UMTS là mã turbo với độ dài ràng buộc của bộ mã hóa RSC là K =
4. Như trong hình 3.1 đầu ra của bộ mã turbo UMTS là sự kết hợp tuần tự của các bit hệ thống {X
i
}, giá
trị đầu ra tương ứng của bộ mã hóa đầu tiên {Z
i
} và giá trị đầu ra tương ứng của bộ mã hóa thứ hai {Z’
i
}.
Như vậy, tốc độ bộ mã hóa xấp xỉ r = 1/3.
Kích thước của dữ liệu đầu vào có thể thay đổi trong khoảng từ 40 bit đến 5114 bit. Các bộ xáo

trộn có kích thước phù hợp với từ mã đầu vào.
Trước khi mã hóa, cả hai bộ mã hóa thành phần được khởi tạo giá trị ban đầu bằng 0. Sau khi bộ
mã hóa có k bit đầu vào, mỗi bộ mã hóa có thể có một trong 2 trạng thái khác nhau. Tuy nhiên bộ giải mã
thực hiện tốt hơn nhiều nếu nó biết không chỉ là trạng thái ban đầu mà còn là trạng thái cuối cùng của nó.
Như vậy cần biết trạng thái cuối cùng sau khi mã hóa toàn bộ dữ liệu đầu vào. Một lựa chọn đơn giản là
sử dụng các trạng thái toàn 0 khi đó bộ mã hóa cần chuyển trạng thái toàn 0 cho bộ mã hóa với từ mã tiếp
theo.

Hình 3.1. Mã hóa Turbo theo chuẩn UMTS
Trong UMTS bộ mã hóa được chỉ ra trong hình 3.1 đạt được bằng cách thay đổi vị trí của bộ
chuyển mạch từ vị trí trên xuống dưới sau khi k bit đầu vào đã được mã hóa. Chú ý rằng do bộ xáo trộn,
trạng thái của hai bộ mã hóa là khác nhau và như vậy các bit cần thiết cho mỗi bộ mã hóa cũng sẽ khác
nhau. Như vậy, các cụm bit được phát đi không chỉ là các bit đuôi {X
k+1
, X
k+2
, X
k+3
} tương ứng với các bộ
mã hóa phía trên mà còn các bit đuôi {X’
k+1
, X’
k+2
, X’
k+3
} tương ứng với bộ mã hóa phía dưới. Khi thêm
6 bit đuôi vào tương ứng với các bit tương đương từ bộ mã ở trên {Z
k+1
, Z
k+2

, Z
k+3
} và ở dưới {Z’
k+1
,
Z’
k+2
, Z’
k+3
} được phát đi như vậy tốc độ bộ mã hóa thực tế là nhỏ hơn 1/3. Trong thực tế tốc độ của bộ
mã hóa là r=k/(3k+12). Tuy nhiên khi k lớn, các bit đuôi thêm vào là không đáng kể.
3.3. Giải mã Turbo theo chuẩn UTMS
Sau khi mã hóa được n bit ghép vào một khung, sau đó được điều chế và truyền trên kênh truyền và
giải mã. U
i
tương ứng với bit mã hóa được điều chế. (có thể là bit hệ thống hoặc parity) và Y
i
tương ứng
là tín hiệu nhận được. Chú ý rằng U
i
có thể chỉ là 0 hoặc 1, Y
i
có thể nhận bất kỳ giá trị nào. Hay nói cách
khác trong khi U
i
là một giá trị cứng, Y
i
là giá trị mềm.
Các giá trị nhận được cho các bit hệ thống và parity được đưa vào LLR tương ứng các đầu vào bộ
giải mã Turbo được chỉ ra trong hình 3.2. Các đầu vào R(Z

1, i
) và R(Z’
1,i
) là các giá trị LLR tương ứng với
đầu ra parity của nhánh trên (Z
i
) và nhánh dưới (Z’
i
) của bộ mã hóa trong hình 3.2. Đầu vào R(Z
2, i
) và
R(Z’
2, i
) được đặt bằng 0.
Với mỗi bit dữ liệu X
i
, bộ giải mã Turbo phải tính các giá trị LLR như sau:
) |0(
) |1(
ln)(
1
1
ni
ni
i
YYXP
YYXP
X




(3.2)
Giá trị LLR này được so sánh với khả năng bit dữ liệu thực tế với xác suất bằng 0 trên toàn bộ từ mã
nhận được (Y
1
Y
n
) Khi LLR này được tính toán, một quyết định cứng cho X
i
có thể được thực hiện bằng
cách so sánh đơn giản các LLR này với 0, có nghĩa là khi 0)( 
i
X thì ước lượng bit đó là 1
ˆ

i
X và
0)( 
i
X thì ước lượng bit đó là 0
ˆ

i
X


i
X
ˆ
)'(

2 i
X
)(
1 i
X
)(
i
XR
)(
,1 i
ZR
)'(
,1 i
ZR
)(
2 i
X
)(
2 i
XV
)'(
2 i
XV
)(
i
XW
)(
1 i
XV

Hình 3.2. Cấu trúc bộ giải mã turbo theo chuẩn UMTS
Các bộ giải mã Turbo sử dụng từ mã nhận được cùng với thông tin cấu trúc bộ mã hóa để tính toán
)(
i
X . Tuy nhiên, bởi vì bộ xáo trộn làm phức tạp cấu trúc của mã này, và không có khả năng tính toán
được )(
i
X đơn giản bằng cách sử dụng một bộ xử lý xác suất. Việc tính toán ước lượng LLR sử dụng
cấu trúc bộ mã hóa phía trên là )(
1 i
X và bộ mã hóa phía dưới là )(
2 i
X . Mỗi lần thực hiện ước
lượng LLR đều được tính toán sử dụng quá trình xử lý đầu vào mềm và đầu ra mềm (SISO)
Như vậy bộ xử lý SISO đầu tiên sẽ đưa giá trị LLR ở đầu ra thành đầu vào của bộ xử lý SISO thứ 2
và ngược lại (sau khi thực hiện xáo trộn và giải xáo trộn), Bởi vì cần phải thay đổi đổi thông tin phản hồi
giữa các bộ xử lý, thuật toán giải mã Turbo là lặp đi lặp lại. Sau mỗi lần lặp các bộ giải mã Turbo có thể
cho kết quả ước lượng dữ liệu tốt hơn mặc dù mỗi lần lặp tiếp theo cải thiện hiệu suất ít hơn so với trước
đó.
3.4. Bộ xử lý SISO
Quan trọng nhất của bộ giải mã Turbo là thuật toán được sử dụng để thực hiện quá trình xử lý SISO.
Các thuật toán SISO sử dụng một sơ đồ lưới để biểu diễn cho tất cả dãy có thể xẩy ra với trạng thái bộ mã
hóa. Đặc biệt, mắt lưới chỉ ra tạp các trạng thái có thể xẩy ra của bộ mã RSC ở chu kỳ xung thứ i, trong
đó i nhận giá trị từ 1 đến k+3 (giả sử 3 bit đuôi) khi đó bộ mã hóa RSC được sử dụng bởi UMTS có 2
phần tử nhớ, số lượng trạng thái của bộ mã hóa ở bất kỳ thời điểm nào đều là 8, khi đó bộ mã hóa chuyển
xung nhịp từ thời điểm i sang i +1 nó thực hiện một quá trình chuyển đổi trạng thái từ trạng thái này sang
trạng thái khác. Các kết nối giữa các trạng thái được gọi là nhánh chỉ ra trạng thái ở thời điểm i+1 có thể
nhận được từ trạng thái ở thời điểm i, mỗi trạng thái ở thời điểm i có 2 nhánh, một nhánh tương ứng với
đầu vào X
i

= 1 và nhánh còn lại tương ứng với đầu vào X
i
= 0. Mỗi một từ mã khác nhau tương ứng với
đường xác định thông qua mắt lưới. Ở đây đường nét liền tương ứng với bit đầu vào là 1 và đường nét đứt
tương ứng với bit dữ liệu đầu vào bằng 0. Quá trình quét này có thể thực hiện độc lập bằng cách sử dụng
một trong hai thuật toán là: thuật toán Viterbi đầu ra mềm (SOVA) và thuật toán MAP. Nhìn chung thuật
toán SOVA ít phức tạp hơn thuật toán MAP nhưng hiệu quả thực hiện kém hơn.
3.5.Các ứng dụng của mã turbo
Mã turbo nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu do truyền dữ liệu gần với giới hạn
Shannon. Việc mã hóa này được sử dụng trong nhiều ứng dụng như lưu trữ dữ liệu, truyền thông
hữu tuyến, truyền thông không dây, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3, truyền thông vệ tinh,
viễn trắc và thông tin liên lạc vũ trụ…
*Hệ thống lưu trữ dữ liệu
Mã turbo đã được áp dụng để ghi quang học và giảm thiểu tỉ lệ lỗi bit. Do mã này có khẩ
năng sửa lỗi hiệu quả hơn so với các mã trước đây được sử dụng cụ thể là mã RS và mã RLL
giúp quá trình đạt được BER khoảng 10
-12
hoặc thấp hơn. Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu lưu
trữ dữ liệu quang sử dụng mã turbo nhằm nâng cấp dung lượng lưu trữ của đĩa DVD lên 25GHz
bằng cách sử dụng khẩu độ số (NA)0.85 và bước sóng 405nm. Tác động của mã turbo lên ổ cứng
lưu trữ dữ liệu là việc cải thiện tốc độ truyền dẫn và tỉ lệ lỗi bit thấp.Với tỉ lệ lỗi bit nhỏ hơn và
khả năng truyền tải nhiều dữ liệu hơn trên một kênh truyền, chúng ta có thể truyền nhiều dữ liệu
hơn trong cùng một thời gian.
* Hệ thống truyền thông cố định
Mã turbo có thể được áp dụng cho hệ thống truyền tải sử dụng điều chế đa sóng mang như
các modem ADSL với công nghệ đa âm rời rạc (Discrete Multi-tone technology) (DMT). Với
mã turbo, chúng ta có thể cải thiện băng thông tín hiệu do có được độ lợi mã hóa cao hơn.
Các bộ mã hóa turbo và bộ giải mã turbo của ADSL trong sơ đồ trên sử dụng hai bộ chèn.
Bộ chèn thêm để giảm thiểu tác động của tiếng ồn trong kênh và thiết kế của các bộ chèn phải
cung cấp một khoảng lớn cho chuỗi đầu vào để cải thiện hiệu suất sửa lỗi. Mã turbo có thể cải

thiện chất lượng dịch vụ của xDSL bằng cách cải thiện độ lợi mã hóa và giảm tỉ lệ lỗi bít.
*Inmarsat
Dịch vụ đa phương tiện của Inmarsat là một dịch vụ mới dựa trên mã Turbo và 16QAM cho
phép người sử dụng giao tiếp với chùm vệ tinh Inmarsat-3 từ một máy tính xách tay có kích
thước thiết bị đầu cuối 64 kbit/s. Công nghệ băng hẹp dựa trên 16QAM và mã hóa turbo cung
cấp giảm đáng kể (> 50%) băng thông cần thiết cho các kênh vệ tinh di động đồng thời tăng hiệu
quả công suất vệ tinh.
* DVB
Mã hóa turbo ở đây cho phép truyền tốc độ dữ liệu bit từ 144 kbit/s đến 2 Mbit/s và sử dụng
một vòng tròn đôi nhị phân đệ quy có hệ thống mã xoắn thành phần (CRSC). Nó có thể xử lý các
gói tin ATM (53 byte) hoặc MPEG (188 bytes), kích thước khối thực tế được biến đổi từ 12 đến
216 byte.
*Truyền thông Vũ trụ
Có thể ứng dụng thích hợp nhất của mã Turbo là ở truyền thông vũ trụ ( deep-space). Điều
này trước hết là bởi vì sử dụng xen kẽ lớn có thể tối đa hóa được mã hóa turbo khi mà không cần
quan tâm đến độ trễ. Thứ hai, nhiều hơn hai bộ mã hóa sơ cấp có thể được kết hợp theo nhiều
cách để tạo ra một mã turbo tốc độ thấp mạnh mà độ phức tạp tăng không đáng kể.
* Trong Thông tin di động 3G:
Trong công nghệ 3G, mã turbo được sử dụng như một tiêu chuẩn kênh mã do khả năng đạt
được tốc độ mã hóa cao hơnvà giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit của bộ giải mã. Sử dụng mã Turbo trong
công nghệ 3G đảm bảo thông lượng lớn hơn trong khi BER tỷ lệ nhỏ.
3.6. Ưu điểm và nhược điểm của mã Turbo
Mã Turbo có thể dùng làm tăng tốc độ dữ liệu mà không làm tăng công suất của truyền dữ
liệu, hoặc chúng có thể được dùng để giảm công suất được sử dụng để truyền tải với tốc độ dữ
liệu nhất định.
Hạn chế chính của chúng là việc giải mã tương đối phức tạp và độ trễ tương đối cao làm
cho chúng không thích hợp đối với một số ứng dụng. Đối với ứng dụng vệ tinh, điều này không
phải là mối quan tâm lớn, vì khoảng cách truyền dẫn lớn cho phép có độ trễ do tốc độ truyền hữu
hạn.
3.7. Cải thiện chất lượng mã Turbo trong 3G

Mã Turbo sử dụng bộ hoán vị bit và nguyên tắc giải mã lặp nhưng sơ đồ đơn giản hơn, đạt
được tỷ lệ lỗi bit rất thấp. Sơ đồ mã Turbo khá đơn giản nhưng có hiệu quả sử dụng phổ không
cao và nhanh xuất hiện sàn lỗi. Nhằm nâng cao hiệu quả sửa lỗi, TTCM sử dụng bộ hoán vị
symbol được Robertson và Worz giới thiệu năm 1995, hoặc tăng thêm các mã thành phần trong
sơ đồ máy mã . Tuy nhiên sơ đồ khá phức tạp.
Để khắc phục hai hạn chế của sơ đồ Turbo và đơn giản hóa về mặt thiết kế so với TTCM, có
thể thực hiện sơ đồ Turbo kết hợp điều chế đa mức để nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông.
Chúng ta sẽ thấy rằng sơ đồ mã hóa Turbo đơn giản kết hợp với điều chế 4PSK cho phép cải
thiện đáng kể phẩm chất theo BER, đồng thời tăng được hiệu quả sử dụng phổ tính theo số
bit/sec/Hz.
3.7.1 Mô hình hệ thống
Hình 3.7 mô tả sơ đồ khối (cũng là sơ đồ mô phỏng trong MatLab Simulink) của hệ thống
mã Turbo kết hợp với điều chế 4PSK. Chuỗi bít tin được giả định là tạo ra từ một nguồn
Bernoulli với xác suất đều giữa ‘0’ và ‘1’. Máy mã Turbo bao gồm hai máy mã chập hệ thống đệ
quy (Recursive Systematic Convolutional – RSC) với tỷ lệ mã hóa
1/ 2
, liên kết song song thông
qua một bộ hoán vị bít. Các bít trên đầu ra của mỗi máy mã RSC bị loại bỏ xen kẽ (puncturing)
để chỉ giữ lại các bít dư (
1
p
cho máy mã thứ nhất và
2
p
cho máy mã thứ hai). Cùng với chuỗi bít
tin
S
, trên đầu ra của máy mã Turbo có chuỗi bộ ba bít
1 2
( , , )

S P P
, như vậy tỷ lệ mã hóa là
1/ 3
R 
. Mặc dù cặp chuỗi bít
1
( , )
S P
là tương quan do là đầu ra của cùng một máy mã chập, nhưng nhờ
có bộ hoán vị bít mà ta cơ hai cặp chuỗi bít hầu như không tương quan là
2
( , )
S P
và
1 2
( , )
P P
. Nếu
tiến hành diều chế 4PSK đối với các cặp chuỗi bít này một cách độc lập theo luật Label_A và
Label_B rồi lồng ghép chuỗi các symbol sau điều chế lại thành một chuỗi tín hiệu phát thì kết
quả ta có chuỗi các symbol 4PSK độc lập để truyền đi qua kênh tạp âm Gao-xơ trắng cộng tính
(Additive White Gaussian Noise – AWGN). Hiệu quả sử dụng phổ tổng thể của hệ thống là
1/ 2

bit/sym, hay
1/ 2
bit/sec/Hz. Tốc độ này tuy thấp hơn so với điều chế BPSK không mã hóa (1
bit/sec/Hz) nhưng cao hơn so với mã Turbo với điều chế BPSK (
1/ 3
bit/sec/Hz).

Ở đầu thu, chuỗi các symbol thu được sẽ được đưa tới hai bộ giải điều chế mềm đối với tín
hiệu 4PSK, nhằm tính ra các giá trị tỷ lệ hợp lẽ theo hàm log (Log-Likelihood Ratio – LLR) của
chuỗi bộ ba bít
1 2
( , , )
S P P
. Đồng bộ với các symbol đã được phát đi, các symbol lẻ được dùng để
tính các giá trị LLR cho cặp bít
2
( , )
S P
, còn các symbol chẵn được dùng để tính các giá trị LLR
cho cặp bít
1 2
( , )
P P
. Ta thấy rằng có hai chuỗi giá trị LLR cho các bít
2
p
, nhưng do các symbol
được truyền qua kênh AWGN độc lập nên giá trị LLR của từng bít
2
p
được cộng lại (tính theo
xác suất thì được nhân với nhau). Các giá trị LLR này được coi như là quan trắc kênh dùng để
giải mã Turbo theo như thông thường. Dưới đây là những điều khác biệt cơ bản của sơ đồ mới
đề xuất so với sơ đồ giả mã Turbo truyền thống.
1. Đầu ra cập nhật giá trị LLR cho các bít mã
2
( , )

S P
(đầu ra
( )
L c
) của bộ giải mã
đầu vào mềm – đầu ra mềm (Soft-Input Soft-Output – SISO) thứ nhất dựa trên khối giải
mã theo xác suất hậu nghiệm (A Posteriori Probability – APP) của Benedetto et al , được
dùng để cung cấp thông tin tiên nghiệm cho giải điều chế các bít
2
p
.
2. Đầu ra cập nhật giá trị LLR cho các bít mã
2
P
(đầu ra
( )
L c
) của bộ giải mã đầu
vào mềm – đầu ra mềm (Soft-Input Soft-Output – SISO) thứ hai được dùng để cung cấp
thông tin tiên nghiệm cho giải điều chế các bít
s
và
1
p
.
1
In
2
In
Out

1
In
2
In
Out
1
In
2
In
Out
1
In
2
In
1
Out
2
Out
O
E
O
E


L u


L u



L u


L u


L c


L c


L c


L c


_
SCCC len
z



_
SCCC len
z

S
1

P
2
P
2
P

Hình 3.7. Sơ đồ khối hệ thống mã Turbo kết hợp với điều chế 4PSK
Các luật điều chế Label_A và Label_B sử dụng hai ánh xạ là SP (Set Partitioning – Phân
hoạch tập) và Gray. Ánh xạ phân hoạch tập được phân biệt thành SP1 và SP2, chỉ khác nhau ở sự
hoán đổi vị trí của hai bít trong nhãn nhị phân của các điểm tín hiệu 4PSK. Quy luật ánh xạ được
thể hiện qua chòm sao tín hiệu trên Hình 3.8 và bảng ánh xạ dưới đây.
00
01
10
11
00
01
10
11
00
11
10
01

1
A
2
A
3
A

4
A
1
B
4
B
2
B
3
B

Hình 3.8. Các luật mã hóa và chòm sao tín hiệu 4PSK

Bảng 3.1. Kết quả ánh xạ các bít đầu ra máy mã Turbo thành các cặp tín hiệu 4PSK
1 2
SPP

2 1 2
SP PP

SP1
–
SP1

SP2
–
SP2
Gray
-Gray

SP1-
Gray

Gray
-SP1
SP2-
Gray

Gray
-SP2
000 0000
1 1
A B

1 1
A B

1 1
A B

1 1
A B

1 1
A B

1 1
A B

1 1

A B

001 0101
2 2
A B

3 3
A B

4 4
A B

2 4
A B

4 2
A B

3 4
A B

4 3
A B

010 0010
1 3
A B

1 2
A B

1 2
A B

1 2
A B

1 3
A B

1 2
A B

1 2
A B

011 0111
2 4
A B

3 4
A B

4 3
A B

2 3
A B

4 4

A B

3 3
A B

4 4
A B

100 000
3 1
A B

2 1
A B

2 1
A B

3 1
A B

2 1
A B

2 1
A B

2 1
A B

101 1101
4 2
A B

4 3
A B

3 4
A B

4 4
A B

3 2
A B

4 4
A B

3 3
A B

110 1010
3 3
A B

2 2
A B

2 2

A B

3 2
A B

2 3
A B

2 2
A B

2 2
A B

111 1111
4 4
A B

4 4
A B

3 3
A B

4 3
A B

3 4
A B

4 3
A B

3 4
A B

3.7.2 Kết quả mô phỏng
Hình 3.9 thể hiện các đường cong BER dùng để so sánh phẩm chất của hệ thống trong
trường hợp các luật ánh xạ Label_A và Label_B sử dụng ánh xạ ánh xạ SP1 và ánh xạ Gray.
Trong 4 tổ hợp của ánh xạ SP1 và Gray thì khi ánh xạ Label_A = SP1 và Label_B = Gray có
BER nhỏ nhất khi tỷ lệ tín trên tạp (Signal-to-Noise Ratio – SNR) tính theo
0
/
b
E N
(dB), tuy
nhiên sớm xuất hiện sàn lỗi. Trường hợp ánh xạ Label_A = Gray và Label_B = SP1 đạt sàn lỗi
muộn hơn nhưng sàn lỗi rất thấp. Trường hợp cả hai luật ánh xạ sử dụng ánh xạ Gray tương
đương với trường hợp điều chế BPSK, chỉ khác là với hiệu quả sử dụng phổ cao hơn. Trường
hợp cả hai luật ánh xạ cùng sử dụng . So sánh với BPSK, ta thấy hiệu quả sử dụng phổ của sơ đồ
4PSK mới cao hơn, ngoài ra BER với ánh xạ SP1, SP2 cũng tốt hơn so với BPSK. Khi cùng sử
dụng ánh xạ Gray thì, khi SNR đủ lớn, phẩm chất của hệ thống Turbo với 4PSK tiến tới phẩm
chất của hệ thống với điều chế BPSK.