Nghiên cứu các sơ đồ mã hóa kênh, đan xen và phối hợp tốc độ trong hệ thống thông tin di động 4g LTE

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
9



2.4.

Mã

xoắn

(mã

chập).


Mã

xoắn

được

trình

bầy bởi

ba số

nguyên:

n,

k

và

K, trong

đó

r

= k/n

cũng

được gọi là tỷ lệ mã như trường hợp hợp mã khối. Số nguyên K được gọi là độ dài

hạn chế; nó thể hiện số lần dịch cực đại của một nhóm k bit bản tin mà sau đó nhóm k

bit này không còn gây ảnh hưởng lên đầu ra bộ tạo mã. Một đặc tính quan trọng của

các mã xoắn khác biệt so với các mã khối là bộ tạo mã của chúng có bộ nhớ, nên quá

trình tạo ra n phần tử ở đầu ra của các bộ lập mã này không chỉ phụ thuộc vào k bit

đầu vào mà còn phụ thuộc vào (K-1) tập hợp k bit đầu vào trước đó.

Hình

2.2.

Sơ

đồ

tổng

quát

của

bộ

tạo

mã

xoắn

tỷ

lệ

mã

k/n


2.4.1.

Tạo

mã

xoắn.


Mã xoắn được tạo ra bằng cách cho một chuỗi bit thông tin đi qua các tầng nhớ

(thường là các thanh ghi dịch tuyến tính trạng thái hạn chế). Tổng quát các bộ nhớ

trong

bộ

mã

hoá

xoắn

bao

gồm M

tầng

(k

bit

ở

mỗi

tầng)

và

n

bộ

tạo

hàm đại

số

tuyến tính ở dạng cộng modul-2. Các bit số liệu ở đầu vào của bộ mã hoá được dịch

vào bộ nhớ mỗi lần k bit. Số các bit đầu ra của bộ lập mã cho mỗi lần dịch k bit đầu

vào

là n bit, trong đó

k<n. Tương tự như đối với

mã khối tuyến

tính, tỷ số

r = k/n

được gọi là tỷ lệ mã. Theo định nghĩa độ dài hạn chế thì

K=M+1.

Hoạt động của bộ tạo mã xoắn có thể đựơc phân tích dựa trên các công cụ như:

Chuỗi tạo mã, đa thức tạo mã, biểu đồ cây, biểu đồ trang thái, biểu đồ lưới.
10



Do khuôn khổ hạn chế, luận văn chỉ tập trung phân tích các nội dung bên dưới:

2.4.2.

Chuỗi

tạo

mã

và

đa

thức

tạo

mã.


2.4.3.

Biểu

đồ

trạng

thái.


2.4.4.

Biểu

đồ

lưới.


2.4.5.

Giải

thuật

giải

mã

xoắn.

-

giải

mã quyết định

mềm (Soft decision)

và giải

mã quyết

định cứng (Hard

decision).

2.5.

Mã

Turbo.


Mã

turbo

đựơc

xây

dựng

trên

cơ

sở

mã

PCCC

(Parallel

Concatened

Convolutional 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 (SC: Systematic Convolutional) khi các bit thông

tin đựơc đưa trực tiếp ra đầu ra. Trường hợp ngược lại mã xoắn đựơc coi là phi hệ

thống. Trong họ các mã SC, các mã hồi quy được đặc biệt quan tâm vì chúng có hiệu

năng tốt hơn các mã phi hệ thống khi tỷ số tín hiệu trên tạp âm thấp.

2.5.3.

Sơ

đồ

bộ

tạo

mã

turbo


sơ đồ bộ tạo mã turbo dược xây dựng trên hai bộ tạo mã RSC.
11

Hình

2.3.

Bộ

tạo

mã

turbo

dựa

trên

bộ

tạo

mã

RSC


2.5.4.

Giải

thuật

giải

mã

turbo.


Khi sử dụng các mã turbo, quá trình giải mã là quá trình lặp. Các giải thuật này

có hai khối giải mã vào mềm ra mềm (SISO) hoạt động gắn bó với nhau. Có hai loại

giải

thuật

giải

mã

turbo

chính

hiện

đang

được

sử

dụng

cho

các

bộ

giải

mã

turbo

SISO: giải thuật Viterby ra mềm (VA/SOVA) và giải thuật cực đại hậu định (MAP)

(giải

thuật

này cũng

đựơc biết

đến

như là

giải

thuật

BCJT theo

tên

của các tác giả

Bahl, Cocke, Jelinek và Ravive). Cả hai giải thuật đều dựa trên lưới. Giải thuật MAP

là giải thuật tốt nhất trong số hai giải thuật nói trên, vì thế trong luận văn này ta chỉ

xét MAP.

2.6.

Sơ

lược

về

mã

LDPC.


Mã

LDPC

(Low-Density Parity-Check code – Mã kiểm tra chẵn lẻ mật

độ

thấp), hay còn gọi là mã Gallager,

được

đề xuất bởi Gallager vào

năm 1962. Ngày

nay, người ta

đã chứng minh được hiệu năng của các mã LDPC không

đều có

độ

dài khối lớn có thể tiệm cận giới hạn Shannon. Về cơ bản đây là một loại mã khối

tuyến tính có đặc điểm là các ma trận kiểm tra chẵn lẻ (H) là các ma trận thưa (sparse
12



matrix), tức là có hầu hết các phần tử là 0, chỉ một số ít là 1. Theo

định nghĩa của

Gallager, ma trận kiểm tra

chẵn lẻ của mã LDPC còn có đặc điểm là mỗi hàng chứa

đúng i phần tử 1 và mỗi cột chứa đúng j phần tử 1.

2.7.

Kết

luận.


Lý

thuyết

mã

hóa

kênh

là

một

đề

tài

được

nghiên

cứu

và

tranh

luận

sôi

nổi

trong những thập kỷ gần đây bởi các tổ chức nghiên cứu, các nhà sản xuất thiết bị và

các tổ chức chuẩn hóa công nghệ, đặc biệt là kể từ sau khi mã turbo cùng thuật toán

giải mã lặp ra đời đưa chất lượng truyền dẫn tới gần hơn với giới hạn Shannon. Tổ

chức 3GPP cũng đã sớm đưa kỹ thuật mã hóa kênh vào chuẩn hóa trong các chuẩn

công nghệ của mình với việc áp 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

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

sẽ

được tính toán và chèn vào mỗi khối truyền tải. CRC cho phép máy thu phát hiện ra

các lỗi còn lại trong khối truyền tải được giải mã. Chỉ thị lỗi tương ứng sau đó có thể

được sử dụng bởi giao thức HARQ.

Quá trình xử lý kênh truyền tải trong LTE trải qua hai bước chèn CRC, chèn

CRC cho khối truyền tải, và chèn CRC cho khối mã.

3.3.

Phân

đoạn

khối

mã

và

chèn

CRC

cho

các

khối

mã.


Theo chuẩn hóa LTE của 3GPP, kích thước tối đa của khối mã trong LTE là

Z=6144 bit. Nếu như khối truyền tải B lớn hơn giới hạn này, thì chuỗi bit đầu vào bộ

mã hóa sẽ được phân đoạn thành các khối mã nhỏ hơn gọi là các khối mã, các khối

mã này sẽ được chèn thêm các bit chẵn lẻ CRC có độ dài L=24 bit.

Với

mục

đích

giảm thiểu

độ

phức

tạp

cho

mã

hóa

kênh

dữ

liệu,

bộ

đan

xen

turbo

với

kích

thước

cố

định

sẽ

được

sử

dụng.

Nếu

kích

thước

của

khối

truyền

tải
15



không bằng với các kích thước đan xen turbo, các bít trống sẽ được chèn thêm để đạt

được kích thước như quy định.

3.4.

Mã

hóa

kênh

dữ

liệu

trong

LTE

và

chất

lượng

qua

kết

quả

mô

phỏng.


3.4.1.

Mã

hóa

turbo

trong

LTE.

Hình

3.3.

Bộ

mã

hóa

turbo

1/3

trong

LTE

(nét

đứt

áp

dụng

cho

mục

đích

kết

cuối

lưới)


Như đã trình bày ở trên, mã hóa turbo được 3GPP lựa chọn để mã hóa kênh dữ

liệu trong LTE. Nguyên lý cơ bản của bộ mã hóa turbo trong LTE dựa trên mã PCCC

(Parallel

Concatened

Convolutional

Code:

mã

xoắn

móc

nối

song

song)

với

bộ

mã

hóa 8 trạng thái và một bộ đan xen nội QPP tránh tranh chấp tài nguyên. Tốc độ mã

gốc là 1/3.
'

i

16



3.4.2.

Sơ

đồ

lưới

của

bộ

mã

hóa

turbo

trong

LTE.


Khối mã hóa turbo được kết thúc bởi kết cuối lưới và đảm bảo rằng bộ mã hóa

luôn ở trạng thái “0” tại cuối mỗi khối turbo và tại đầu vào của khối tiếp theo. Bình

thường,

các

bit

được

phát

theo

thứ

tự

sau:

d
k
,

z
k
,

z
k

tương

ứng

tỷ

lệ

mã

là

1/3.

Kết

cuối lưới được thực hiện bằng cách lấy các bit đuôi từ phản hồi thanh ghi dịch sau khi

tất cả các bit thông tin đã được mã hóa. Các bit đuôi được chèn sau khi mã hóa các

bit thông tin.

3.4.3.

Bộ

đan

xen

nội

trong

sơ

đồ

mã

hóa

turbo

của

LTE.


LTE lựa chọn thiết kế đan xen nội dựa trên đa thức hoán vị cầu phương QPP

(Quadratic Permuation Polynomial) do thiết kế này yêu cầu ít bộ nhớ xử lý nên phù

hợp hơn với yêu cầu tốc độ mã hóa cao trong LTE.

Mỗi quan hệ giữa các bit đầu vào và đầu ra như sau :

c




c


i

,

i=0,

1,…,

(K-1)

là

chỉ

số

bit

sau

khi

đan

xen,


(i)

là

chỉ

số

bit

trước

khi đan xen tương ứng với vị trí i. Mối quan hệ giữa chỉ số đầu ra i và chỉ số đầu vào


(i) thỏa mãn công thức sau:

(i)





f
1


i



f
2


i

2


mod

K


Các

tham

số

f
1

và

f
2
phụ

thuộc

vào

kích

cỡ

khối

K

và

được

qui

định

bởi


3GPP.

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 khối xử lý như bên dưới:
(

(

(

(

(

(

17



d
k
0)





d
k
1)





d
k
2)

v
k
0)

v
k
1)





v
k
2)







w
k





e
k

Hình

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 thiết

kế

dựa

trên

sự kết

hợp

giữa bộ

giải mã SISO (Soft-Input và Soft-Output), và nguyên tắc giải mã lặp.

3.4.6.

Hiệu

năng

của

mã

hóa

kênh

dữ

liệu

thông

qua

kết

quả

mô

phỏng.

Kết quả mô phỏng cho thấy với kích thước khối mã đầu vào bộ mã turbo càng

lớn thì tỷ số Eb/N0 yêu cầu càng nhỏ với cùng một mức BER. Với việc đưa vào bộ
đan xen nội tránh xung đột dựa trên đa thức hoán vị cầu phương, mã hóa kênh trong

LTE sẽ hỗ trợ cho các thiết kế phần cứng linh hoạt để hỗ 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

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.

c
k

d
k
0)


d
k
1)

d
k
2)


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 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 turbo áp dụng trong 4G
LTE khác với bộ đan xen nội được sử dụng trong UMTS khi được xây dựng dựa trên
đa thức hoán vị cầu phương QPP nhằm tăng cường khả năng xử lý song song. Do đó
mang lại tốc độ giải mã cao hơn giúp cho 4G LTE, từ đó giúp LTE có thể đáp ứng tốc
độ dữ liệu lên tới 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên. Tuy nhiên, việc
tăng khả năng hỗ trợ song song cũng sẽ làm tăng sự phức tạp khi xử lý luồng dữ liệu
xử lý tới hoặc từ bộ nhớ trong quá trình giải mã. Do đó, khi áp dụng vào thực tế thì
cần cân nhắc kỹ việc sử dụng bộ giải mã turbo khi mà mã LDPC với khả năng xử lý
tương đương lại có độ phức tạp thấp hơn.
20



KẾT

LUẬN

Với yêu cầu đươc đề ra, luận văn đã thực hiện nghiên cứu và phân tích các

phương pháp mã hóa kênh phổ biến và các sơ đồ mã hóa kênh được áp dụng trong

4G LTE đã được chuẩn hóa trong TS 36.212 V9.2.0 (2010-06) của tổ chức 3GPP. Cụ

thể 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 tiếp theo của đề tài là tìm hiểu sâu hơn nữa về mã LDPC và

nghiên

cứu

tính

khả thi

của

việc thay thế

mã

turbo

bằng

phương

pháp

mã

hóa

này

trong 4G LTE, đây có lẽ cũng là vấn đề sẽ được các nhà nghiên cứu, các nhà sản xuất

thiết bị,…còn tranh cãi trong thời gian tới.