HỌC

VIỆN

CÔNG

NGHỆ

BƯU

CHÍNH

VIỄN

THÔNG


VÀ

PHỐI

HỢP

TỐCĐỘ

TRONG

HỆ

THỐNG

THÔNG

TIN

DI

ĐỘNG

BĂNG

RỘNG


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:
……………… …….………………………………

thống

thông

tin

di

động

thế

hệ

thứ

2

và

thứ

3

vẫn

đang

phát


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:


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

THÁCH

THỨC

TRONG

HỆ

THỐNG

THÔNG

TIN

DI

ĐỘNG

BĂNG

RỘNG

4G

LTE.1.1.

Tổng

nhiều

các

tổ

chức,

bao

gồm cả

những

tổ

chức

thành

viên

và

không

thành

viên


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


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


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


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

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


băng

thông

và

ảnh

hưởng

của

nó

tới

truyền

dẫn

tốc

độ

cao.Shannon



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


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


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


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



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


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

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-1Một 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


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.



2.3.4.

Giải

thuật

xác

định

lỗi

trong

mã

vòng

CRC.Để

xác

định

từ


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


Hình

2.2.

Sơ

đồ

tổng

quát


(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


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.



-

giải

mã quyết định

mềm (Soft decision)

và giải

mã quyết

định cứng (Hard

decision).

2.5.

Mã

Turbo.Mã

turbo

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


(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


Hình

2.3.

Bộ

tạo

mã


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


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,



2.7.

Kết

luận.Lý

thuyết

mã

hóa

kênh

là

một

đề

tài

được

nghiênCHƯƠNG

3.

MÃ

HÓA

KÊNH

ĐAN

XEN

VÀ

PHỐI

HỢP

TỐC

ĐỘ

TRONG

HỆ

trong

LTE.Chương

3

trình

bày

các

thủ

tục

mã

hóa

kênh

trong

LTE.

Đồng


Hình


Hình

3.2.

Xử

lý

mã

hóa

kênh

BCH

và


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.



Với

mục

đích

giảm thiểu

độ

phức

tạp

cho

mã

hóa

kênh

dữ

liệu,

bộ

đan


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

Hình


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



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

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



là

chỉ

số

bit

sau

khi

đan

xen,


(i)

là

chỉ

số

bit

trước



KCác

tham

số

f
1

và

f
2
phụ

thuộc

vào

kích

cỡ

khối

K

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:
(

(

(

(

(

(

v
k
1) v
k
2)

w
k e
k


liệu

của

LTE-

Đan

xen

khối

con

Sub-block

interleaver.-

Bộ

đệm

vòng



hợp

tốc

độ

trong

sơ

đồ

mã

hóa

kênh

dữ

liệu

LTE.

Bộ

đệm

vòng

cần.-

Chọn

lựa

và

trích

bỏ

bit.3.4.5.

Giải

mã

ở

phía

thu.



3.4.6.

Hiệu

năng

của

mã

hóa

kênh

dữ

liệu

thông

qua

kết

quả

mô

phỏng.

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.
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)

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


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.


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



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.