Đánh giá chất lượng mã Turbo trong thông tin di động WiMAX

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





TRẦN CÔNG KHOA


ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÃ TURBO TRONG
THÔNG TIN DI ĐỘNG WiMAX




LUẬN VĂN THẠC SĨ







Hà Nội - 2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN CÔNG KHOA


ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÃ TURBO TRONG
THÔNG TIN DI ĐỘNG WiMAX

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS. Đinh Thế Cường





Hà Nội - 2010



1
MỤC LỤC


MỞ ĐẦU 8
Chương 1: Tổng quan về hệ thông tin số và các đặc điểm của công nghệ WiMAX. 11
1.1 Cấu trúc hệ thống tin số. 11

1.2 Giới hạn Shannon 14
1.3 Các đặc điểm của công nghệ WiMAX 17
Chương 2: Mã Turbo và giải mã lặp 20
2.1 Cấu trúc bộ mã hóa turbo 20
2.2 Hoán vị 22
2.2.1 Hoán vị trong mã Turbo 23
2.3 Một số ứng dụng của mã hóa turbo 24
2.3.1 Mã turbo cho thông tin vũ trụ 24
2.3.2 Mã turbo cho CDMA2000 25
2.3.3 Mã turbo cho thông tin di động thế hệ 3 26
2.4 Nguyên lý giải mã turbo 27
2.4.1 Mô hình hệ thống 27
2.4.2 Tiêu chuẩn đánh giá 29
2.4.3 Thuật toán Viterbi 30
2.4.4 Thuật toán Viterbi đầu ra mềm (SOVA) 32
2.4.5 Thuật toán MAP 33
2.4.6 Thuật toán MAX-Log-MAP 40
2.4.7 Thuật toán Log-MAP 41
2.5 Giải mã lặp 41
2.5.1 Giải mã turbo tối ưu 42
2.5.2 Công cụ giải mã turbo lặp 43
2.5.2.1 Giải mã turbo lặp dựa trên thuật toán MAP 43
2.5.2.2 Giải mã SOVA lặp mã turbo 47
2.6 So sánh thuật toán giải mã lặp SOVA và MAP 52
2.7 Giải mã MAP lặp mã chập liên kết nối tiếp 53
2.8 Giải mã SOVA lặp mã chập liên kết nối tiếp 54
Chương 3: Lớp vật lý của WiMAX 56
3.1 Lớp vật lý của WiMAX theo chuẩn IEEE 802.16e-2009 56

2
3.2.1 Mã kênh 56
3.2.1.1 Ngẫu nhiên hóa 57
3.2.1.2 FEC(Forward Error Correction) 58
3.2.1.2.1 Mã hóa turbo chập (CTC) 58
3.2.1.2.2 Bộ hoán vị CTC 60
3.1.2.1.3 Xác định trạng thái vòng CTC 61
3.2.1.2.4 CTC puncturing 62
3.2.1.3 Hoán vị bit 63
3.2.1.4 Điều chế 64
3.2.2 Cở sở OFDMA 65
3.2.2.1 Cấu trúc dấu OFDMA và kênh con hoá 66
3.2.2.2 Scalable OFDMA 68
3.2.3 Cấu trúc khung TDD 69
3.2.4 Các đặc tính lớp vật lý cao cấp khác 70
3.3 Những hướng mở trong lớp vật lý của WiMAX. 73
Chương 4: Áp dụng nguyên lý BICM-ID cho WiMAX 74
4.1 Giới thiệu nguyên lý BICM-ID (Bit Interleaved Coded Modulation With Iterative
Decoding) 74
4.1.1 Bộ mã hóa và giải mã BICM 75
4.1.2 Sự suy giảm chất lượng của BICM trên kênh Gauss 75
4.1.3 BICM-ID 76
4.1.4 Gán nhãn tín hiệu 78
4.2.1 Tham số mô phỏng 82
4.2.2 Kết quả mô phỏng 82
4.3 phân tích kết quả mô phỏng 85
KẾT LUẬN 86
Tài liệu tham khảo 87

3
Danh sách các hình

Hình 1.1: Mô hình tổng quát hệ thống thông tin số 11
Hình 1.2: Sơ đồ giải điều chế kết hợp 12
Hình 1.3: Sơ đồ phân loại mã kênh 14
Hình 1.4: Hiệu suất sử dụng phổ của các sơ đồ điều chế và mã hoá khác nhau được tính toán
cho trường hợp BER là 10
-5

trên kênh AWGN 16
Hình 1.5: Chuẩn hóa hệ thống WiMAX di động 17
Hình 2.1: Bộ mã hóa turbo 20
Hình 2.2: Bộ mã hóa turbo tốc độ 1/3 21
Hình 2.3: Bộ hoán vị 22
Hình 2.4: Bộ ánh xạ hoán vị 23
Hình 2.5: Sơ đồ khối bộ mã hóa turbo CCSDS 24
Hình 2.6: Bộ mã hóa turbo liên kết ngược dùng cho WCDMA2000 25
Hình 2.7: Bộ mã hóa turbo dùng cho thông tin 3GPP 26
Hình 2.8: Cấu trúc của bộ mã chập liên kết nối tiếp dùng cho thông tin 3GPP 27
Hình 2.9: Mô hình hệ thống 27
Hình 2.10: Bộ mã hóa RSC tốc độ 1/2 34
Hình 2.11: Biểu đồ trạng thái truyền đối với bộ mã RSC(2,1,2) 35

Hình 2.12: Sơ đồ lưới cho bộ RSC(2,1,2) 36
Hình 2.13: Bộ mã hóa turbo cơ bản 42
Hình 2.14: Một bộ giải turbo lặp trên cơ sở thuật toán MAP 44
Hình 2.15: Một bộ giải turbo lặp dựa trên thuật toán SOVA 48
Hình 2.16: Hiệu suất BER của mã turbo tốc độ mã 1/3, 16 trạng thái với thuật toán MAP, log-
MAP, SOVA trong kênh AWGN, kích thước bộ hoán vị 4096 bit, số lần lặp 18 lần 52
Hình 2.17: Bộ giải mã lặp MAP cho mã chập liên kết nối tiếp 53
Hình 2.18: Bộ giải mã lặp SOVA mã liên kết nối tiếp. 54
Hình 3.1: Lớp vật lý WiMAX 56
Hình 3.2: Quá trình mã hóa kênh 56
Hình 3.3: Ngẫu nhiên hóa dữ liệu 57
Hình 3.4: Véctơ giá trị ban đầu đường xuống của bộ ngẫu nhiên OFDM đối với cụm #2…N 58
Hình 3.5: Véctơ giá trị ban đầu đường lên của bộ ngẫu nhiên OFDM 58
Hình 3.6: Bộ mã hóa CTC 59
Hình 3.7: Sơ đồ lưới của bộ mã hóa turbo CRSC 62
Hình 3.8: Bộ mã hóa turbo CRSC sử dụng Puncturing 62


4
Hình 3.9: Các chòm sao BPSK, QPSK, 16QAM và 64-QAM. 65
Hình 3.10: Chèn tiền tốc vòng (CP) 66
Hình 3.11: Cấu trúc sóng mang con OFDMA 66
Hình 3.12: Tần số DL gồm nhiều kênh con 67
Hình 3.13: Cấu trúc tiêu đề cho đường lên UL PUSC 68
Hình 3.14: Cấu trúc khung WiMAX OFDMA 70
Hình 4.1 a: Không có đường phản hồi để giải mã BICM 75
Hình 4.1b: Có đường phản hồi để giải mã BICM-ID 75
Hình 4.2: Quá trình mã hóa kênh trong WiMAX 76
Hình 4.3: Bộ hoán vị từng dòng bit - inline 77
Hình 4.4: Biểu đồ chòm sao điều chế 16QAM theo mã Gray trong WiMAX 78

Hình 4.5: Cự ly giữa các điểm trên chòm sao theo vị trí bit 80
Hình 4.6: Ánh xạ theo mô hình H-H-L-L 81
Hình 4.7: Ánh xạ theo mô hình H-L-L-H 81
Hình 4.8: Biểu đồ chòm sao điều chế 16QAM theo mã Anti-Gray 82
Hình 4.8: Không có inline, tốc độ mã R=1/2, điều chế 16QAM 83
Hình 4.9: Có inline, tốc độ mã R=1/2, điều chế 16QAM 83
Hình 4.10: Không có inline, tốc độ mã R=3/4, điều chế 16QAM 84
Hình 4.11: Có inline, tốc độ mã R=3/4, điều chế 16QAM 85
Hình 4.12: Khối mô phỏng bộ turbo không sử dụng bộ inline 0
Hình 4.13: Khối mô phỏng bộ turbo sử dụng bộ inline 1
















5
Danh sách các bảng

Bảng 3.1: Không bắt buộc CTC mã kênh cho quá trình điều chế 60

Bảng 3.2: Các tham số hoán vị mã Turbo 61
Bảng 3.3: Bảng lặp trạng thái vòng 61
Bảng 3.4: Mẫu puncturing cho CTC 62
Bảng 3.5: Kích thước khối của bộ hoán vị bit 64
Bảng 3.6: Các tham số tỉ lệ OFDMA 69
Bảng 3.7: Các kỹ thuật mã hoá và điều chế được hỗ trợ 71
Bảng 3.8: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMAX di động 72
Bảng 4.1: Các bộ tách dòng bit – biến đổi nối tiếp/song song 77
Bảng 4.2: Chèn zero – biến đổi song song/nối tiếp 77
Bảng 4.3: Luật ánh xạ chòm sao tín hiệu 16QAM theo mã Gray 78

6
Các thuật ngữ viết tắt

3GPP
3
rd
Generation Partnership Project
APP
A Posteriori Probability
ARQ
Automatic Repeat reQuest
AWGN
Additive White Gauss Noise
AES-CCM
Advanced Encryption Standard
BER
Bit Error Rate
BPSK
Binary Phase Shift Keying
BSC
Binary Symmetric Channel
BTC
Block Turbo Code
BICM-ID
Bit Interleaved Coded Modulation with Iterative Decoding
bps
Bits per second
CCSDS

Consultative Committee for Space Data System
CDMA
Code Division Multiple Access
CRC
Cyclic Redundancy Check
CSI
Channel State Information
CC
Convolutional Code
CP
Cyclic Prefix
CMAC
block Cipher-based Message Authentication Code
CTC
Convolutional Turbo Code
DSL
Digital Subscriber Line
DL
Downlink
EAP
Extensible Authentication Protocol
FEC
Forward Error Correction
FFT
Fast Fourier Transform
HMAC
keyed Hash Message Authentication Code
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
IP

Internet Protocol
ISI
Intersymbol Interference
IFFT
Inverse Fast Fourier Transform
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
LDPC
Low Density Parity Check Code
LAN
Local Area Network


7
LLR
Log Likelihood Ratio
MAC
Media Access Control
MAN
Metropolitan Area Network
MAP
Maximum A Posteriori
MIMO
Multiple Input Multiple Output
MPLS
Multi-Protocol Label Switching
MBS
Most Significant Bit
ML
Maximum Likelihood

PCCC
Parallel Concatenated Convolutional Codes
PRBS
Pseudo Random Binary Sequence
PSK
Phase Shift Keying
QAM
Quadratury Amplitude Modulation
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
QoS
Quality of Service
RSC
Recursive Systematic Convolutional
SCCC
Serial Concatenated Convolutional Codes
SER
Symbol Error Rate
SIM
Subscriber Identify Module
SISO
Soft Input Soft Output
SNR
Signal to Noise Ratio
SOVA
Soft Output Viterbi Algorithm
STC
Space Time Coding
TCM
Trellis Coded Modulation

TDD
Time Division Duplex
VoIP
Voice over Internet Protocol
VA
Viterbi Algorithm
USIM
Universal Subscriber Identify Module
UL
Uplink
WEF
Weight Enumerating Function
WER
Word Error Rate
WiFi
Wireless Fidelity
WiMAX
Worldwide Interoperability for Microwave Access




8
MỞ ĐẦU



Trong những năm gần đây, các dịch vụ ứng dụng trên mạng di động đã có bước
phát triển bùng nổ với nhiều loại hình đa dịch vụ đa nội dung mới như các dịch vụ hội
nghị trực tuyến, ngân hàng điện tử, Internet tốc độ cao hay các dịch vụ đào tạo từ xa

trực tuyến, game trực tuyến Các dịch vụ này phát triển đồng nghĩa với việc công
nghệ truy nhập cũng liên tục được phát triển để đáp ứng những đòi hỏi ngày càng cao
về băng thông cho truy cập, chất lượng dịch vụ và hiệu quả kinh tế. Các công nghệ
truy nhập băng rộng đã được phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây bao
gồm các công nghệ truy nhập hữu tuyến và công nghệ vô tuyến.
Một loạt các chuẩn về mạng truy nhập vô tuyến băng rộng đã được nhiều tổ
chức nghiên cứu, xây dựng và phát triển như chuẩn IEEE 802.11x, IEEE 802.15, IEEE
802.16, IEEE 802.20, HIPERLAN 1/2, HomeRF, chuẩn Bluetooth, Phạm vi ứng
dụng của các chuẩn này bao trùm từ mạng cá nhân, mạng nội bộ (LAN), mạng đô thị
(MAN) và mạng diện rộng (WAN).
Hệ thống WiMAX được đưa ra dựa trên họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 đang được
các hãng cung cấp thiết bị cũng như nhà cung cấp dịch vụ quan tâm đặc biệt. Các hệ
thống WiMAX cố định dựa trên chuẩn IEEE 802.16-2004 được sản xuất, đưa vào thử
nghiệm và được diễn đàn WiMAX cấp chứng nhận đã cho thấy rõ những ưu điểm của
công nghệ này. Hệ thống WiMAX di động dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16e cũng
đang được các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông trong nước cũng như ở nước ngoài thử
nghiệm trong thời gian qua.
Mạng Viễn thông Việt Nam trong những năm qua đã có sự phát triển mạnh mẽ,
các hệ thống cung cấp dịch vụ truy nhập băng rộng đã và đang được triển khai tại hầu
hết các tỉnh thành như là xDSL, đặc biệt là công nghệ 3G. Tuy nhiên, công nghệ 3G
còn hạn chế về tốc độ truy cập, bán kính phủ sóng… so với công nghệ WiMAX. Trong
khi đó, nhu cầu sử dụng dịch vụ băng rộng lại đang đòi hỏi rất cấp thiết tại nhiều vùng,
nhiều khu vực mà các giải pháp hiện có rất khó triển khai hoặc triển khai chậm. Để có
thể triển khai nhanh chóng và hiệu quả công nghệ WiMAX đang được các nhà cung
cấp viễn thông rất chú ý đến. Đây là một công nghệ truy nhập không dây mới dành cho
mạng đô thị với nhiều ưu điểm, đó là tính mềm dẻo, hiệu quả cao, giá thành thấp và


9
tốc độ cao… Nó có thể hỗ trợ, kết hợp cùng 3G trong triển khai cho các khu vực rộng

cũng như kết hợp với công nghệ đường dây thuê bao số xDSL để nâng cao hiệu quả
cho mạng truy nhập hiện nay.
Mã turbo được giới thiệu năm 1993 gồm hai mã xoắn đệ quy RSC kết nối song
song thông qua một bộ hoán vị và được giải mã lặp với chất lượng tiến tới cận
Shannon khoảng vài phần mười dB. Mã turbo được sử dụng trong công nghệ WiMAX
nhằm mục đích đưa phẩm chất của hệ thống tiến tới cận Shannon hơn. Hiện nay, mã
turbo được khuyến nghị sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ 3G, 4G,
thông tin vệ tinh, thông tin vũ trụ….
Mục tiêu của luận văn gồm: Tìm hiểu và đánh giá chất lượng mã turbo chập
CTC (Convolutional Turbo Code), Xây dựng mô phỏng bằng phần mềm MATLAP
phiên bản 7.0.4 và thực hiện mô phỏng bộ turbo có bộ hoán bit cải tiến (gọi là bộ
inline); Từ đó đưa ra đánh giá và khuyến nghị cho công nghệ WiMAX di động theo
chuẩn IEEE 802.16e-2009 sử dụng bộ hoán vị bit cải tiến. Ngoài ra, kết hợp phương
pháp hoán vị bit với cải biên phép ánh xạ điều chế theo để có độ lợi về mặt công suất
Eb/N0[dB] và tỷ lệ lỗi bit BER.
Tên đề tài “Đánh giá chất lượng mã Turbo trong thông tin di động
WiMAX”, đề tài tập trung vào việc nghiên cứu bộ mã hóa và giải mã turbo chập dùng
cho chuẩn WiMAX IEEE 802.16e-2009. Các vấn đề cần giải quyết như sau:
1. Thay đổi phương pháp hoán vị bit sau bộ mã hóa turbo chập.
2. Thay đổi các điểm vị trí trên biểu đồ chòm sao theo mã Gray.
3. Áp dụng nguyên lý BICM-ID cho WiMAX.
Kết quả là đạt được về mặt công suất Eb/N0[dB] và tỷ lệ lỗi bit BER có cải
thiện. Từ đó đưa ra khuyến nghị cho từ trường hợp riêng.
Nội dung luận văn gồm 4 chương:
 Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin số và các đặc điểm của công
nghệ WiMAX
 Chương 2: Mã Turbo và giải mã lặp
 Chương 3: Lớp vật lý của WiMAX.
 Chương 4: Áp dụng nguyên lý BICM-ID cho WiMAX.

10
Do hạn chế về nhiều mặt nên Luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu
sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của Thầy, cô và các bạn để Luận văn được
hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, PGS. TS Đinh Thế Cường đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình hoàn thành luận văn. Em cũng xin trân
thành cảm ơn các thầy, cô, bạn bè cùng toàn thể người thân đã giúp đỡ và chỉ bảo cho
em trong thời gian thực hiện luận văn này.

11
Chương 1: Tổng quan về hệ thông tin số và các đặc điểm của công
nghệ WiMAX.
1.1 Cấu trúc hệ thống tin số.
Vào cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 đã ra đời nhiều loại hệ thống thông tin số,
chúng khác nhau về giải pháp xử lý tín hiệu số nhằm thực hiện việc truyền các tín hiệu
số một cách có hiệu quả về phương diện chiếm dụng băng tần cũng như công suất tín
hiệu. Một trong những giải pháp đó là dùng kỹ thuật mã hoá kiểm soát lỗi (Error
Control Encoding). Mục tiêu chính của bộ mã kiểm soát lỗi trong hệ thống thông tin số
là làm cho độ tin cậy của truyền tin đạt cực đại trong phạm vi bị ràng buộc về độ rộng
băng tần, công suất tín hiệu và độ phức tạp của mạch điện trong hệ thống.
Để làm rõ vai trò của việc mã hoá kiểm soát lỗi, ta đưa ra mô hình hệ thống
thông tin số tổng quát sau:


Hình 1.1: Mô hình tổng quát hệ thống thông tin số
Trong đó, nguồn tin là nơi tạo ra các bản tin chứa đựng những thông tin cần
phát đi, các bản tin này có thể là các từ, các ký hiệu mã v.v Đầu ra của nguồn tin là
chuỗi các ký hiệu được biến đổi từ bảng chữ cái nào đó, thông thường là các ký hiệu
nhị phân. Đầu ra của nguồn tin có nhiều thông tin dư nên bộ mã nguồn được thiết kế

12
để chuỗi đầu ra của nguồn tin trở thành chuỗi các chữ số nhị phân có độ dư thừa cực
tiểu. Nếu bộ mã nguồn tạo ra r
b
bit/giây thì r
b
được gọi là tốc độ dữ liệu.
Kênh truyền là nguyên nhân chủ yếu gây ra lỗi cho tín hiệu thu, nên bộ mã kênh
thực hiện thêm vào các bit kiểm tra vào chuỗi thông tin nhằm giảm tối thiểu các lỗi sau
giải mã. Bộ mã kênh ánh xạ bản tin k chữ số đầu vào thành bản tin mới n chữ số đầu ra
được gọi là từ mã. Một bộ kiểm soát lỗi được gọi là tốt khi nó tạo ra các từ mã có
khoảng cách sai khác nhau (khoảng cách Hamming) lớn. Mỗi bộ mã được mô tả bằng
tỷ số R = k/n < 1 được gọi là tỷ lệ mã, do đó tốc độ dữ liệu đầu ra bộ mã kênh là r
c
=
r
b
/R [bit/giây]. Như vậy, bộ mã kênh làm giảm tốc độ truyền dữ liệu và làm tăng độ
rộng băng tần trên kênh truyền.
Để tín hiệu đầu ra bộ mã kênh phù hợp với kênh truyền, bộ điều chế thực hiện
sắp xếp các chuỗi số đầu ra bộ mã kênh thành chuỗi dạng sóng tương tự (các ký hiệu)
phù hợp với đặc tính kênh truyền. Để tăng tốc độ truyền, mỗi dấu (symbol) có thể
mang nhiều bit thông tin như các hệ thống điều chế đa mức (QPSK-TCM, MPSK,
MQAM, ). Một bộ điều chế M mức thực hiện sắp xếp khối m chữ số nhị phân đầu ra
bộ mã kênh thành một trong M các dạng sóng có thể, trong đó M = 2
m
. Quá trình điều
chế có thể được thực hiện bằng cách biến đổi giá trị biên độ, pha hoặc tần số của dạng
sóng hình sin còn được gọi là tải tin. Chu kỳ dạng sóng đầu ra bộ điều chế là T giây và

r
S
= 1/T được gọi là tốc độ ký hiệu. Độ rộng băng tần tín hiệu cực tiểu là r
S
[Hz] và
được biểu diễn như sau:
lR
r
r
b
s

(1.1)
Kênh là phương tiện được sử dụng để truyền tải tin. Ví dụ, kênh hữu tuyến
điện, kênh vô tuyến điện, kênh sợi quang Hai ảnh hưởng quan trọng nhất của kênh là
tạp nhiễu và độ rộng băng tần. Ngoài ra, trong kênh thông tin di động còn bị hạn chế
bởi lan truyền đa đường, trong cáp sợi quang còn bị tán sắc tín hiệu






Hình 1.2: Sơ đồ giải điều chế kết hợp
Điều
chế
Kênh
Giải điều
chế
Tạp nhiễu

Dữ liệu
vào
Dữ liệu
ra
Giải điều chế kết
hợp


13
Từ sơ đồ kênh kết hợp, nếu giá trị đầu ra kênh kết hợp chỉ phụ thuộc vào giá trị
hiện hành đầu vào bộ giải mã mà không phụ thuộc vào một vài tín hiệu trước đó thì ta
gọi là kênh không nhớ. Nó được miêu tả bằng xác suất truyền P(i|j), trong đó i là ký
hiệu đầu vào nhị phân và j là ký hiệu đầu ra nhị phân. Mô hình kênh đơn giản nhất là
khi xác suất xuất hiện lỗi trong các ký hiệu nhị phân “0” và “1” là như nhau và kênh là
kênh không nhớ. Mô hình kênh loại này được biết đến như kênh đối xứng nhị phân
(BSC-Binary Symmetric Channel).
Với giải pháp quyết định cứng tại đầu ra bộ giải điều chế làm cho bộ giải mã
kênh ít cải thiện được tổn hao thông tin. Chỉ khi bộ giải điều chế thực hiện lượng tử
hoá tại đầu ra, với số mức lượng tử lớn hơn hai hoặc đưa ra các mẫu tín hiệu băng gốc
liên tục vào bộ giải mã kênh thì quá trình giải mã như vậy được gọi là giải mã quyết
định mềm và sẽ cải thiện được tổn hao thông tin.
Sơ đồ mã kênh thường được chia làm hai loại (hình 1.3), đó là mã dạng sóng
(Waveform) và mã chuỗi có cấu trúc (Structured sequence). Trong mã dạng sóng bao
gồm: mã đối cực (Antipodal), mã trực giao (Orthogonal), mã lưới (Trellis) và mã tín
hiệu đa mức (M-ary). Trong mã chuỗi có cấu trúc bao gồm: mã khối (block), mã chập
(convolutional) và mã liên kết.
Mã khối là bộ mã không nhớ (chuỗi bit thu được ở đầu ra của bộ mã chỉ phụ
thuộc vào bản tin đầu vào hiện hành mà không phụ thuộc một vài bản tin trước đó).
Trái ngược với mã khối là mã chập, đây là bộ mã có nhớ (chuỗi bit nhận được ở đầu ra
của bộ mã không chỉ phụ thuộc vào bản tin đầu vào hiện hành mà còn phụ thuộc vào

một vài bản tin trước đó). Mã liên kết là sự kết hợp của hai bộ mã vòng trong và vòng
ngoài được phân biệt bởi bộ hoán vị bit
Năm 1967, Forney đưa ra sơ đồ mã hoá gồm mã vòng trong là mã chập và mã
vòng ngoài là mã khối Reed-Solomon. Sau đó, năm 1993 Berrou đưa ra bộ mã Turbo
có cấu trúc gồm hai bộ mã chập kết nối song song thông qua bộ hoán vị và năm 1996
Benedetto đưa ra sơ đồ mã gồm hai mã chập liên kết nối tiếp. Các bộ mã này đều sử
dụng thuật toán giải mã lặp và có chất lượng tiến tới giới hạn Shannon.



14

Hình 1.3: Sơ đồ phân loại mã kênh
1.2 Giới hạn Shannon
Một hệ thống thông tin số có tốc độ r
b
và bị giới hạn về độ rộng băng tần B
được đánh giá qua hiệu suất sử dụng phổ , ký hiệu là η.
B
r
b


bit/giây/Hz (1.2)
Có thể viết
B
lRr
s



(1.3)
Với r
s
tốc độ ký hiệu. Khi độ rộng băng tần yêu cầu tối thiểu cho tín hiệu sau
khi điều chế là r
s
Hz, hiệu quả sử dụng phổ đạt cực đại và được ký hiệu là η
max
.

lR
max

(1.4)
Để đạt được hiệu quả sử dụng công suất thì yêu cầu tỷ số
0
/ NE
b

(E
b

là năng
lượng trung bình thu được trên bit thông tin, N
0

là mật độ phổ công suất tạp âm đơn
biên) phải đạt được xác suất lỗi bit theo lý thuyết và có quan hệ với tỷ số tín hiệu trên
tạp âm (SNR ) S/N có liên hệ với
0

/ NE
b
.

0
N
E
lR
N
S
b

(1.5)
Như vậy, giới hạn trên của tốc độ truyền dữ liệu trên kênh có liên quan tới tỷ số
tín hiệu trên tạp âm và độ rộng băng tần hệ thống theo khái niệm về dung lượng kênh,
ký hiệu là C, được Shannon giới thiệu [3]. Đó là tốc độ cực đại mà thông tin có thể
Mã kênh
Mã chuỗi có cấu trúc
trúc
Mã dạng sóng
Mã khối


Mã chập
Mã liên kết
Mã đối cực
Mã trực giao
Mã lưới
Mã tín hiệu đa mức

15
truyền qua trên kênh có nhiễu Gauss trắng và được đưa ra bởi công thức Shannon -
Harley.








N
S
BC 1log
2
(bit/giây) (1.6)
Định lý về mã kênh của Shannon được phát biểu như sau: “Khi xem xét kênh
AWGN, tồn tại mã kiểm soát lỗi sao cho có thể truyền thông tin qua kênh với tốc độ r
b

nhỏ hơn dung lượng kênh và tỷ số lỗi bit thấp tuỳ ý”
Nghĩa là, trong trường hợp có sử dụng bộ mã kênh, khi tốc độ truyền dữ liệu
nhỏ hơn dung lượng kênh (r
b

< C) thì chất lượng thông tin có thể đạt được xác suất lỗi
thấp tuỳ ý, ngược lại khi tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn hoặc bằng dung lượng kênh (r
b

> C) thì chất lượng thông tin không thể đạt được xác suất lỗi thấp tuỳ ý. Định lý về mã
kênh của Shannon không chỉ ra cách thức để thiết kế bộ mã nhằm đạt được tốc độ dữ
liệu tiệm cận tốc độ cực đại (r
b

= C) tại xác suất lỗi thấp tuỳ ý, điều này đã đặt ra thách
thức lớn cho nghiên cứu phát triển về kỹ thuật mã kiểm soát lỗi.
Giả sử rằng với đường truyền không có lỗi (error-free), tốc độ dữ liệu đạt cực
đại (r
b

= C) thì hiệu quả sử dụng phổ đạt cực đại η
max
= C/B, có thể viết:










0
2max
.1log
N
E
lR

b

(1.7)
Thay (1.4) vào (1.7) ta có










0
max2max
1log
N
E
b

(1.8)
Để giá trị E
b
/N
0
nhỏ nhất ứng với đường truyền không có lỗi là:

max0
12

max




N
E
b
(1.9)
Nếu độ rộng băng tần không bị giới hạn thì khi B → ∞ hay η
max
→ 0 thì ta có
E
b
/N
0
đạt cực tiểu.

dB
N
E
b
59.12lnlim
0max
0



(1.10)
Như vậy, khi đường truyền không có lỗi thì tỷ số E

b
/N
0
trên kênh AWGN
không thể nhỏ hơn -1,59 dB (Hình 1.4).


16
Điều chế BPSK không mã hóa đạt được BER là 10
-5
với tỷ số E
b
/N
0
là 9.5 dB
và hiệu suất phổ η =1 bit/giây/Hz. Trong khi giới hạn Shannon cho trường hợp E
b
/N
0
=10log
10
1 = 0 dB. Như vậy là cách cận Shannon 9.5 dB.
Mã sử dụng trong thông tin vệ tinh cũng như Voyager mã chập (2,1,6)
Odenwalder đạt được xác suất lỗi bit 10
-5
tại 4.5 dB với điều chế BPSK và bộ giải mã
Viterbi quyết định mềm, đạt được hiệu suất phổ η= 0.5 bit/giây/Hz.

Hình 1.4: Hiệu suất sử dụng phổ của các sơ đồ điều chế và mã hoá khác nhau được tính toán
cho trường hợp BER là 10

-5

trên kênh AWGN
Mã chập trong được giải mã bởi thuật toán Viterbi quyết định mềm và mã
Reed-Solomon được giải mã bởi bộ giải mã quyết định cứng Massey-Berlekamp có
thể đạt được BER là 10
-5
với tỷ số E
b
/N
0
= 2.6 dB, với hiệu suất phổ η =0.437
bit/giây/Hz.
Mã chập trong (4,1,14) được kết hợp mã Reed-Solomon (255, 233) dùng trong
thông tin vê tinh địa tĩnh có BER là 10
-5
với tỷ số E
b
/N
0
= 1.75 dB, với hiệu suất phổ η
=0.25 bit/giây/Hz.
Điều chế mã lưới Trellis (TCM) có một đặc tính mong muốn là độ lợi mã hóa
mà không cần thêm độ rộng băng tần như hệ thống không mã với cũng hiệu suất phổ.
Giới hạn độ lợi mã hóa đối với TCM hai chiều thay đổi từ 3 đến 6 dB.
Ví dụ, một mã 8PSK-TCM với 64 trạng thái, có tỷ lệ lỗi bit (BER) 10
-5
ở tỷ số
E
b

/N
0
= 6.05 dB, với hiệu suất phổ η =2 bit/giây/Hz, độ lợi là 3.5dB tương ứng với
QPSK không mã, trong khi 8PSK-TCM với 256 trạng thái có độ lợi 4 dB.


17
Mã turbo và giải mã lặp [3] đã lấp được khe hở về giới hạn giữa dung lượng và
chất lượng mã. Chúng có thể đạt được E
b
/N
0
= 0,7 dB cho BER =10
-5
và η = 0,5
bit/giây/Hz.
Để tiến tới giới hạn Shannon đã có nhiều bộ mã và phương pháp giải mã ra đời.
Hiện nay mã turbo kết hợp với phương pháp giải mã lặp đã gần đạt được giới hạn
Shannon. Với những ưu điểm trên mã turbo đã được ứng dụng vào công nghệ WiMAX
phù hợp với đường truyền băng thông rộng, trong môi trường vô tuyến khắc nghiệt…
1.3 Các đặc điểm của công nghệ WiMAX
WiMAX di động là giải pháp không dây băng rộng cho phép phủ sóng mạng
băng rộng không dây và cố định nhờ công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trên diện
rộng với kiến trúc mạng linh hoạt. Giao diện WiMAX di động sử dụng công nghệ
OFDM để cải thiện hiệu suất đa đường trong các môi trường không có tia nhìn thẳng
(NLOS). OFDMA thay đổi tỉ lệ (S-OFDMA) được giới thiệu trong phần bổ sung IEEE
806.16e để hỗ trợ băng thông kênh có tỉ lệ co dãn từ 1.25 đến 2 MHz. Nhóm kỹ thuật
di động trong diễn đàn WiMAX Forum đang phát triển tham số hệ thống cho WiMAX
di động qua đó xác định các đặc tính bắt buộc và tuỳ chọn của chuẩn IEEE -802.16e
[3] là chuẩn giao diện vô tuyến tương thích với WiMAX di động.

Tham số WiMAX di động cho các hệ thống di động được phép cấu hình trên cơ
sở một tập các đặc tính cơ bản để đảm bảo chức năng cơ bản nhất cho các thiết bị đầu
cuối và các trạm gốc. Đó là các cấu hình được tối ưu về dung lượng hoặc được tối ưu
về diện tích phủ sóng. Phiên bản WiMAX di động phiên bản 1 sẽ bao gồm các băng
thông kênh 5, 7, 8.75 và 10 MHz dành cho các dải tần được cấp phép trên thế giới
như: 2.3 GHz, 2.5 GHz, 3.3 GHz và 3.5 GHz.

Hình 1.5: Chuẩn hóa hệ thống WiMAX di động


18
Các hệ thống WiMAX di động cung cấp khả năng mở rộng về cả về công nghệ
truy nhập vô tuyến và kiến trúc mạng, do đó cung cấp khả năng linh động cao trong
các lựa chọn phát triển mạng và cung cấp dịch vụ. Một số các đặc điểm chính mà
WiMAX di động hỗ trợ là:
 Tốc độ dữ liệu cao: Các kỹ thuật anten MIMO cùng với các nguyên lý chia
nhỏ kênh linh hoạt, mã hoá và điều chế nâng cao, tất cả làm cho công nghệ
WiMAX di động có khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu đường xuống (DL-
Downloading) tối đa lên tới 63Mbps cho một sector và tốc độ dữ liệu đường lên
(UL-Uploading) tối đa lên tới 28Mbps cho một sector trong một kênh 10MHz.
 Chất lượng dịch vụ (QoS): Tiền đề cơ bản của kiến trúc MAC (Media Access
Control) trong IEEE 802.16 là QoS. Nó định nghĩa luồng dịch vụ mà có thể ánh
xạ đến các điểm mã hoặc các luồng nhãn MPLS để cho phép kết nối đầu cuối
tới đầu cuối theo giao thức IP trên cơ sở QoS. Ngoài ra, các nguyên lý báo hiệu
trên cơ sở kênh con hóa và MAP cung cấp một cơ chế linh động cho việc lập
lịch tối ưu tài nguyên không gian, tần số và thời gian trên giao diện vô tuyến
theo khung.
 Tính mềm dẻo: Tài nguyên phổ tần số cho băng rộng không dây được cấp phát
khác nhau. Vì vậy công nghệ WiMAX di động được thiết kế để có thể linh hoạt,
mềm dẻo để hoạt động trong các kênh khác nhau từ 1.25 đến 20 MHz thoả mãn

các yêu cầu trên toàn cầu.
 Khả năng bảo mật: Các đặc tính khả năng bảo mật trong WiMAX di động là
tốt nhất trong lớp với sự xác thực trên theo EAP, mã hoá được xác thực theo
AES-CCM, các nguyên bảo vệ bản tin điều khiển theo CMAC và HMAC. Các
xác thực cho một tập các người dùng đang tồn tại bao gồm: thẻ SIM/USIM, các
thẻ thông minh, các chứng chỉ số, các nguyên lý xác thực người dùng và mật
khẩu theo các phương pháp EAP tương ứng cho kiểu nhận thực.
 Khả năng di động: WiMAX di động hỗ trợ các nguyên lý chuyển giao tối ưu
với trễ nhỏ hơn 50 msec để đảm bảo các ứng dụng thời gian thực như VoIP với
dịch vụ không bị suy giảm. Các nguyên lý quản lý khá linh động mà bảo mật
được duy trì trong quá trình chuyển giao.


19
Với những đặc điểm nổi bật của công nghệ WiMAX mã turbo đã được lựa chọn
đưa vào áp dụng vào lớp vật lý nhằm giải quyết những vấn đề nâng cao tốc độ truyền
tin nhưng vẫn đảm bảo được tỷ lệ lỗi cho phép.

20
Chương 2: Mã Turbo và giải mã lặp
2.1 Cấu trúc bộ mã hóa turbo
Một bộ mã hóa turbo được hình thành bởi hai bộ mã chập hệ thống đệ quy
(RSC-Recursive Systematic Convolutional) kết nối với nhau song song và được tách
nhau bởi bộ hoán vị [3]. Sơ đồ khối của bộ mã hóa turbo điển hình tỷ lệ mã 1/3 được
cho trên hình 2.1.

Hình 2.1: Bộ mã hóa turbo
Ma trận sinh của mã RSC thành phần tốc độ 1/2 có thể được biểu diễn như sau.








)(
)(
1)(
0
1
Dg
Dg
DG
(2.1)
Khi
)(
0
Dg
và
)(
1
Dg
là đa thức phản hồi và đặt trước có bậc
v
riêng biệt. Trong
bộ mã hóa, với cùng chuỗi thông tin được mã hóa hai lần nhưng theo một trật tự khác
nhau. Bộ mã hóa thứ nhất mã hóa trực tiếp chuỗi đầu vào, chuỗi đầu vào được ký hiệu
là c có chiều dài là N. Bộ mã hóa thành phần thứ nhất có hai đầu ra. Đầu ra thứ nhất
được ký hiệu là v
0
chính là chuỗi đầu vào khi bộ mã hóa có hệ thống. Các đầu ra khác
là chuỗi kiểm tra chẵn lẻ, ký hiều là v
1

. Chuỗi thông tin đã hoán vị tại đầu vào của bộ
mã hóa thứ hai được ký hiệu là
c
~
. Chỉ có chuỗi kiểm tra chẵn lẻ của bộ mã hóa thứ
hai được truyền đi, chuỗi này được ký hiệu là v
2
. Chuỗi thông tin v
0
và chuỗi kiểm tra
chẵn lẻ của bộ mã hóa thứ hai v
1
, v
2
được ghép để tạo ra chuỗi mã turbo. Mã này có
tốc độ là 1/3.
Ví dụ 2.1: Bộ mã hóa turbo [13] tốc độ 1/3


21
Một bộ mã hóa turbo tốc độ 1/3 dựa trên mã RSC (2, 1, 4) như hình 2.2. Các
thành phần mã RSC (2, 1, 4) có tốc độ 1/2 và số ô nhớ
4v
(số trạng thái là
16
s
M
).

Hình 2.2: Bộ mã hóa turbo tốc độ 1/3

Ma trận sinh của mã RSC như sau:









432
4
1
1
1)(
DDDD
D
DG
(2.2)
Ta giả sử rằng chuỗi đầu vào là.
c = (1011001) (2.3)
Hai chuỗi đầu ra của bộ mã hóa thứ nhất.
v
0
= (1011011)
v
1
= (1110001) (2.4)
Chúng ta giả sử rằng bộ hoán vị hoán vị chuỗi thông tin thành.
c

~
= (1101010) (2.5)
Chuỗi kiểm tra chẵn lẻ của bộ mã hóa thứ hai là.
v
2
= (1000000) (2.6)
Cuối cùng chuỗi mã hóa turbo là.
v = (111, 010, 110, 100, 000, 000, 110) (2.7)


22
2.2 Hoán vị
Hoán vị [13] là một quá trình sắp xếp lại trật tự của một chuỗi thông tin dữ liệu
theo một định dạng xác định một-một. Ngược lại của quá trình này là giải hoán vị, nó
khôi phục lại chuỗi thông tin theo trật tự gốc ban đầu.
Một thiết bị hoán vị với kích thước N được thể hiện trong hình 2.3, chúng ta giả
sử chuỗi dữ liệu tại đầu vào bộ hoán vị I là chuỗi nhị phân.
), ,,,(
321 N
ccccc 
(2.8)
với
 
Nic
i
 1,1,0
. Bộ hoán vị hoán vị chuỗi c thành một chuỗi bit.
)
~
, ,

~
,
~
,
~
(
~
321 N
ccccc 
(2.9)
với
 
Nic
i
 1,1,0
~
. Chuỗi
c
~
gồm tất cả các thành phần của
c
nhưng khác về
trật tự. Nếu chúng ta xem chuỗi đầu vào
c
và chuỗi đầu ra
c
~
là một cặp với N thành
phần, sẽ có sự tương ứng một-một
ji

cc
~

giữa mỗi thành của
c
và
c
~
.
Chúng ta xác định một tập A như sau.
 
NA , ,2,1
(2.10)
Bộ hoán vị có thể được xác định bởi một hàm ánh xạ chỉ số.
AjiijAA  ,),(:)(

(2.11)
Trong đó i, j là các chỉ số của mỗi thành phần trong chuỗi
c
gốc và chuỗi hoán
vị
c
~
tương ứng. Hàm ánh xạ có thể viết lại theo dạng véctơ hoán vị.
))(), ,3(),2(),1(( N
N


(2.12)

Hình 2.3: Bộ hoán vị
Ví dụ, chúng ta xem bộ hoán vị giả ngẫu nhiên với kích thước N = 8. Chuỗi đầu
vào được thể hiện như sau.
),,,,,,,(
87654321
ccccccccc 

Chuỗi hoán vị.

)
~
,
~
,
~
,
~
,
~
,
~
,
~
,
~
(
~
87654321
ccccccccc 

),,,,,,,(
75836142
cccccccc

Hàm ánh xạ được minh họa trong hình 2.4. Véctơ hoán vị được viết như sau.


23
))8(),7(),6(),5(),4(),3(),2(),1((
8




)6,8,4,7,2,5,1,3(


Hình 2.4: Bộ ánh xạ hoán vị
Bộ hoán vị trong mã hóa turbo là một bộ hoán vị khối giả ngẫu nhiên bởi sự
hoán vị của N thành phần mà không lặp lại.
2.2.1 Hoán vị trong mã Turbo
Trong mã turbo, quá trình hoán vị được thực hiện trước khi dữ liệu thông tin
được mã hóa bởi bộ mã hóa thứ hai. Nói chung, bộ hoán vị có kích thước N là lớn hơn
đáng kể so với
v
mã nhớ và các thành phần véctơ hoán vị được chọn một cách ngẫu
nhiên.
Vai trò cơ bản thứ nhất của bộ hoán vị là tạo ra một mã khối dài từ những mã
chập có nhớ nhỏ, như là những mã dài có thể tiến tới giới hạn dung lượng kênh

Shannon. Thứ hai, nó phân tán các lỗi cụm ra. Bộ hoán vị cung cấp thông tin dữ liệu
đã được hoán vị tới bộ mã hóa thành phần thứ hai trong bộ mã hóa turbo và làm không
tương quan các thông tin đầu vào cho hai bộ giải mã thành phần, nhờ đó có thể áp
dụng thuật toán giải mã cận tối ưu dựa trên việc trao đổi thông tin không tương quan
giữa hai bộ giải mã thành phần có thể được áp dụng. Ví dụ, sau khi sửa một vài lỗi
trong bộ giải mã thứ nhất, một vài lỗi còn lại được phân tán bởi bộ hoán vị như vậy
chúng được sửa lỗi trong bộ giải mã kia. Bằng cách tăng số lần lặp trong quá trình giải
mã xác suất lỗi bit có thể tiến tới giới hạn dung lượng kênh. Vai trò cuối của bộ hoán
vị là ngắt lan truyền lỗi của những chuỗi đầu vào có trọng số thấp, do đó làm tăng
khoảng cách Hamming tự do lên hoặc giảm bớt số lượng từ mã có khoảng cách nhỏ
trong phổ khoảng cách của mã.
Có bốn loại công nghệ hoán vị. Đó là hoán vị khối, hoán vị chập, hoán vị ngẫu
nhiên và hoán vị phù hợp theo mã [13].