Thông tin tài liệu
HỌC
VIỆN
CÔNG
NGHỆ
BƯU
CHÍNH
VIỄN
THÔNG
HOÀNG
ĐỨC
TỈNH
NGHIÊN
CỨU
CÁC
SƠ
ĐỒ
MÃ
HÓA
KÊNH,
ĐAN
XEN
VÀ
PHỐI
HỢP
TỐC
ĐỘ
TRONG
HỆ
THỐNG
THÔNG
TIN
DI
ĐỘNG
BĂNG
RỘNG
4G
LTE
Chuyên
ngành:
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã
số:
60.52.70
TÓM
TẮT
LUẬN
VĂN
THẠC
SĨ
HÀ NỘI - 2012
Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Phạm Anh Dũng
Phản biện 1:
……………… …….………………………………
Phản biện 2:
………………………………… …………………
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện
Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: giờ ngày tháng năm
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
-Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
1
MỞ
ĐẦU
Mặc
dù
các
hệ
thống
thông
tin
di
động
thế
hệ
thứ
2
và
thứ
3
vẫn
đang
phát
triển
không
ngừng
nhưng
các
công
ty
viễn
thông
lớn
trên
thế
giới
đã
bắt
đầu
tiến
hành triển khai thử nghiệm các chuẩn di động
thế
hệ
mới
4G với
nhiều tiềm năng,
trong đó có công nghệ LTE (Long Term Evolution).
Một trong những vấn đề cốt lõi trong quá trình chuẩn hóa 4G LTE của tổ chức
3GPP là việc nghiên cứu và áp dụng các phương thức mã hóa kênh, đan xen cùng với
nguyên lý phối hợp tốc độ cho mục đích sửa lỗi phía trước.
Với mục đích mang lại một cái nhìn rõ hơn về các phương pháp mã hóa kênh
đan xen và phối hợp tốc độ, ứng dụng của các phương pháp này vào hệ thống thông
tin di động băng rộng 4G LTE, tôi đã chọn đề tài tốt nghiệp của mình là:
“
Nghiên
cứu
các
sơ
đồ
mã
hóa
kênh
đan
xen
và
phối
hợp
tốc
độ
trong
hệ
thống
thông
tin
di
động
băng
rộng
4G
LTE
”.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, người đã
luôn chỉ bảo tôi nhiệt tình trong quá trình làm luận văn. Đồng thời cũng xin gửi lời
cảm ơn tới người thân, bạn bè, đồng nghiệp,…đã tạo điều kiện cho tôi có thể hoàn
thành luận văn này.
Hà Nội, ngày 24
tháng 06
năm 2012
Hoàng
Đức
Tỉnh
2
CHƯƠNG
1.
CÁC
THÁCH
THỨC
TRONG
HỆ
THỐNG
THÔNG
TIN
DI
ĐỘNG
BĂNG
RỘNG
4G
LTE.
1.1.
Tổng
quan
hệ
thống
thông
tin
di
động
băng
rộng
4G
LTE.
3GPP đã khởi động việc nghiên cứu phát triển hệ thống thông tin di động 4G
vào tháng 11 năm 2004, bắt đầu từ hội thảo về phát triển công nghệ RAN cho mạng
di động băng rộng tại Toronto, Canada. Hội thảo này nhận được sự quan tâm của rất
nhiều
các
tổ
chức,
bao
gồm cả
những
tổ
chức
thành
viên
và
không
thành
viên
của
3GPP với hơn 40 bài đóng góp về vấn đề phát triển mạng truy nhập vô tuyến từ các
tổ chức khác nhau trong lĩnh vực thương mại di động như các nhà cung cấp dịch vụ,
các nhà sản xuất thiết bị đầu cuối, và các tổ chức nghiên cứu.
Một
tập
hợp
các
yêu
cầu
mới
đã
được
đề
cập
trong
hội
thảo
nhằm cải
thiện
thêm chất lượng dịch vụ và giảm chi phí cho nhà cung cấp và người sử dụng dịch vụ.
Các yêu cầu đặt ra bao gồm.
- Tăng dung lượng hệ thống và giảm thiểu chi phí trên từng bit được truyền
đi cũng như tối ưu phổ tần 2G, 3G đang tồn tại với phổ tần mới.
- Cải thiện tốc độ truyền dữ liệu so với hệ thống 3G hiện tại, mục tiêu là đạt
được tốc độ 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên.
- Tốc độ truyền dữ liệu cao hơn, với vùng phủ sóng rộng hơn và sử dụng linh
hoạt giữa băng tần sẵn có và băng tần mới.
- Dung lượng hệ thống sẽ được tăng gấp 3 lần so với các hệ thống hiện tại,
đồng thời chất lượng dịch vụ sẽ được cải thiện với nhiều dịch vụ mới ở chi phí thấp
hơn.
1.1.2.
Kỹ
thuật
đa
truy
nhập
trong
LTE.
-
OFDMA cho đường xuống.
-
SC-FDMA cho đường lên.
3
1.1.3.
Kiến
trúc
mạng.
Kiến trúc E-UTRAN bao gồm :
- eNodeB (Enhanced Node B).
- aGW (access Gate way).
eNodeB là phần tử mạng truy nhập cơ bản gồm một cell hoặc là một trạm thu
phát sóng. Nó cung cấp giao diện người sử dụng E-UTRA (PDCP/RLC/MAC/PHY)
và giao thức mặt phẳng điều khiển (RRC) tới UE.
aGW ở cấp cao hơn eNB. Một aGW có thể kết nối tới một hoặc nhiều eNB tùy
thuộc vào thiết kế mạng. aGW thực hiện nhiều
các chức năng khác nhau, cùng với
khởi
tạo
tìm
gọi
(paging),
mã
hóa
dữ
liệu
mặt
phẳng
người
sử
dụng
và
kiểm
soát
bearer SAE. Chức năng aGW được chia thành 2 phần, MME (Mobility Management
Entity – thực thể quản lý di động) và UPE (User Plane Entity – thực thể quản lý mặt
phẳng ngưới sử dụng).
1.1.4.
Các
giao
diện
E-UTRAN.
Một
trong
những
mục
tiêu
của
E-UTRAN
là
đơn
giản
hóa
và
giảm
thiểu
số
lượng giao diện giữa các phần tử mạng. Các giao diện giữa các phần tử mạng là S1
(eNodeB-aGW) và X2 (giữa các eNodeB).
1.2.
Các
thách
thức
trong
hệ
thống
thông
tin
băng
rộng
4G
LTE.
Cũng như tất cả các hệ thống thông tin di động băng rộng khác, 4G LTE cũng
phải giải quyết 2 thách thức chính là sự thay đổi liên tục của kênh vô tuyến và giới
hạn về băng thông.
1.2.1
Ảnh
hưởng
của
kênh
vô
tuyến
lên
hệ
thống
4G
LTE.
Các
yếu
tố
chính
hạn
chế
thông
tin
di
động
bắt
nguồn
từ
môi
trường
vô
tuyến là
- Suy hao. Cường độ trường giảm theo khoảng cách. Thông thường suy hao
nằm trong khoảng từ 50 tới 150dB tùy theo khoảng cách.
C
B
w
.log
2
1
4
- Che tối. Các vật cản giữa trạm gốc và máy di động làm suy giảm thêm tín
hiệu.
- Phađing đa đường và phân tán thời gian. Phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ làm
méo tín hiệu thu bằng cách trải rộng chúng theo thời gian. Phụ thuộc vào băng thông
của cả hệ thống, yếu tố này dẫn đến thay đổi nhanh cường độ tín hiệu và gây ra nhiễu
giao thoa giữa các ký hiệu (ISI: Inter Symbol Interference).
- Nhiễu. Các máy phát khác sử dụng cùng tần số hay các tần số lân cận khác
gây nhiễu cho tín hiệu mong muốn. Đôi khi nhiễu được gọi là tạp âm bổ sung.
1.2.2.
Vấn
đề
băng
thông
và
ảnh
hưởng
của
nó
tới
truyền
dẫn
tốc
độ
cao.
Shannon
đã đưa ra công
cụ
lý
thuyết
để xác định
tốc độ
cực đại được gọi là
dung lượng cực đại mà hệ thống thông tin có thể được truyền trên một kênh thông tin
cho trước. Mặc dù trong trường hợp tổng quát, công cụ này khác phức tạp, tuy nhiên
trong trường hợp đặc biệt khi thông tin được truyền trên một kênh (hay một đường
truyền vô tuyến) chỉ bị ảnh hưởng của tạp âm Gauss trắng cộng, dung lượng kênh C
được xác định bởi một biểu thức khá đơn giản sau.
S
N
Từ công thức trên, ta thấy rằng các yếu tố căn bản hạn chế tốc độ số liệu khả
dụng là công suất thu khả dụng, hay tổng quát hơn là tỷ số tín hiệu trên tạp âm S/N
khả dụng và băng thông khả dụng Bw
1.3.
Một
số
công
nghệ
then
chốt
sử
dụng
trong
hệ
thống
thông
tin
di
động
băng
rộng
4G
LTE.
Ngoài việc áp dụng công nghệ OFDM, các công nghệ then chốt sử dụng trong
thông tin di động băng rộng 4G LTE bao gồm:
-
Kỹ thuật đa anten.
-
Lập biểu, thích ứng đường truyền và HARQ trong 4G LTE.
1.4.
Kết
luận.
Như đã trình bày ở trên, mã hóa kênh là một trong những khía cạnh rất quan
trọng trong LTE. Nghiên cứu về mã hóa kênh và các sơ đồ mã hóa kênh trong LTE
5
rất
có
ý
nghĩa
nếu
ta
muốn
tìm
hiểu
tiếp
về
lập
biểu,
thích
ứng
đường
truyền
và
HARQ trong LTE. Các chương tiếp theo sẽ phân tích cụ thể hơn về lý thuyết mã hóa
kênh
và
các phương
pháp
mã
hóa
kênh
phổ
biến
được
áp
dụng
trong
các
chuẩn
di
động băng rộng, và sơ đồ mã hóa kênh áp dụng
trong LTE.
6
CHƯƠNG
2.
MÃ
HÓA
KÊNH
VÀ
ĐAN
XEN.
2.1.
Lý
thuyết
chung
về
mã
hóa
kênh.
Thông thường mã hoá kênh là quá trình xử lý tín hiệu số được thực hiện sau
nguồn tin số và trước điều chế. Nhiệm vụ của nhà thiết kế hệ thống truyền dẫn số là
cung cấp một hệ thống kinh tế để truyền
thông tin từ nơi phát đến nơi nhận
ở tốc độ
và
mức
độ
tin
cậy
mà
người
sử dụng
chấp
thuận.
Hai
thông
số
quan
trọng
mà
nhà
thiết kế có trong tay khi này là: thông số tín hiệu được phát và độ rộng băng tần của
kênh truyền dẫn. Hai thông số này cùng với mật độ phổ công suất của tạp âm thu xác
định tỷ số giữa năng lượng một bit tín hiệu và mật độ công suất tạp âm, Eb/N0. Tỷ số
này xác định đơn trị tỷ số bit lỗi BER (Bit Error Rate) đối với
một sơ đồ điều chế
cho trước. Các thiết kế thực tế thường đặt ra một giới hạn giá trị mà ta có thể phân bổ
cho Eb/N0. Trong thực tế tuỳ theo hoàn cảnh ta thường phải sử dụng một sơ đồ điều
chế mà với sơ đồ này không thể đảm bảo chất lượng số liệu. Đối với tỷ số Eb/N0
cố
định cách duy nhất để đạt được chất lượng số liệu quy định là sử dụng mã hoá kênh.
Lý thuyết mã hóa đã chứng công thức liên quan đến khoảng cách Hamming tối
thiểu giữa các từ mã và số bit
lỗi mà mã cho phép phát hiện và sửa như sau:
* Khả năng phát hiện lỗi:
dm = t+1
* Khả năng sửa lỗi:
dm ≥ 2t +1
trong đó dm là khoảng cách Hamming cực tiểu giữa các từ mã có thể có trong
tập mã còn t là số lỗi mã cho phép phát hiện (trường hợp thứ nhất) và sửa (trường hợp
hai). Các mã kênh thường được phân thành hai loại : mã khối tuyến tính và mã xoắn,
trong luận văn, ta sẽ xét cụ thể hai loại mã này.
7
2.2.
Mã
khối
tuyến
tính.
Trong
loại
mã
này
luồng
thông
tin
được
chia
thành
các
khối
có
độ
dài
bằng
nhau được gọi là các khối bản tin. Các bit nhận được ở đầu ra của bộ mã hoá được
gọi là từ mã. Các bit dư được bổ sung vào các khối theo một thuật toán nhất định phụ
thuộc vào loại mã được sử dụng, các bit này thường
được gọi là các bit kiểm tra. Các
mã khối được xác định bằng ba thông số: độ dài khối bản tin k, độ dài từ mã n và
khoảng cách Hamming cực tiểu dm. Tỷ số r = k/n được gọi là tỷ lệ mã. Các bit kiểm
tra có
độ dài n-k. Bộ mà hoá được ký hiệu (n,k).
Hoạt động của bộ mã hoá có thể đựơc biểu diễn toán học ở dạng
ma trận hay
đa thức. Các ma trận hay các đa thức này được gọi là các ma trận tạo mã hay các đa
thức tạo mã. Trong luận văn này chỉ tập trung vào phân tích đa thức tạo mã. Do phạm
vi nghiên cứu của đề tài, luận văn chỉ thực hiện nghiên cứu về mã vòng (mã CRC).
Một tập con của mã khối tuyến tính.
2.3.
Mã
vòng.
Trong phần này luận văn sẽ trình bày việc sử dụng đa thức tạo mã để xây dựng
các bộ tạo mã vòng (mã CRC). Đồng thời luận văn cũng sẽ trình bày về sơ đồ bộ mã
hóa vòng dựa trên quá trình tạo mã vòng từ đa thức tạo mã và giải thuật xác định lỗi
của khối mã CRC bằng syndrom.
2.3.1.
Đa
thức
tạo
mã.
Ta có thể biểu diền từ mã là dạng đa thức bậc (n-1) sau đây:
c = c0 + c1 x+ c2x
2
+ . . . . + cn-1 x
n-1
Một mã vòng (n,k) được đặc tả bởi tập đầy đủ các đa thức bậc (n-1) hay thấp
hơn và nhận một đa thức bậc thấp nhất (n-k) làm thừa số. Thừa số đặc biệt này được
ký hiệu là g(x) và được gọi là đa thức tạo mã của mã này.
c(x) = a(x)g(x)mod(x
n
-1)
trong đó m(x) là một đa thức của x. g(x) là đa thức tạo mã được biểu diễn như
sau:
8
g(x) = g0 + g1x + g2x
2
+ . . . . .
+ gn-kx
n-k
trong đó gi={0,1}
Còn
m(x) là đa thức của khối bản tin
k bit được biểu diễn như sau:
m(x) = m0 + m1x + m2x
2
+ . . . . . . . + mk-1x
k-
Quá trình thực hiện mã hoá cho một mã vòng (n,k) như sau:
Nhân đa thức bản tin m(x) với x
n-k
.
Chia x
n-k
m(x) cho đa thức tạo mã g(x) để được phần dư b(x).
Cộng b(x) với x
n-k
m(x) để nhận được đa thức từ mã c(x).
2.3.2.
Sơ
đồ
bộ
mã
hoá
vòng.
Ba bước trong thủ tục mã hóa vòng nói trên được thực hiện ở bộ lập mã bao
gồm một thanh ghi dịch (n-k) tầng có mạch hồi tiếp tuyến tính.
Hình
2.1.
Sơ
đồ
bộ
mã
hóa
vòng
2.3.4.
Giải
thuật
xác
định
lỗi
trong
mã
vòng
CRC.
Để
xác
định
từ
mã
nhận
được
từ
bộ
mã
vòng
có
bị
lỗi
hay
không
ta
tính
syndome. Bộ tính toán Syndrome có sơ đồ giống như bộ tạo mã chỉ khác ở chỗ các
bit của từ mã thu được được đưa vào (n-k) tầng của thanh ghi dịch có hồi tiếp từ phía
bên trái
[...]... THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE 3.1 Các sơ đồ mã hóa kênh trong LTE Chương 3 trình bày các thủ tục mã hóa kênh trong LTE Đồng thời cũng sẽ trình bày các sơ đồ mã hóa và giải mã kênh được sử dụng cho các kênh truyền tải khác nhau trong hệ thống LTE Hình 3.1 Xử lý kênh DL-SCH, PCH, MCH 14 Hình 3.2 Xử lý mã hóa kênh BCH và DCI 3.2 Chèn mã vòng CRC Bước đầu tiên của quá trình xử lý mã hóa kênh trong LTE, một mã CRC... 3.5.1 Sơ đồ mã hóa xoắn trong LTE LTE sử dụng sơ đồ mã xoắn có độ dài bằng 7, tốc độ mã bằng 1/3 ck 0) ( dk 1) ( dk 2) ( dk Hình 3.6 Sơ đồ mã hóa xoắn trong 4G TLE Với kênh điều khiển, bộ giải mã kênh sẽ hoạt động dựa trên thuật toán Viterbi hoặc thuật toán MAP như đã trình bày ở chương 2 19 3.5.2 Phối hợp tốc độ trong sơ đồ mã hóa kênh điều khiển LTE Hoạt động của bộ đệm vòng trong mô hình phối hợp tốc. .. dụng mã xoắn và mã hóa turbo trong sơ đồ mã hóa kênh của chuẩn UMTS đầu năm 1999 Các bản phát hành sau đó của tổ chức 3GPP như HSPA, LTE đã tăng thêm ưu điểm mã hóa kênh bằng cách giới thiệu thêm các kỹ thuật thích ứng đường truyền, HARQ Chương tiếp theo sẽ phân tích chi tiết hơn về các sơ đồ mã hóa kênh được áp dụng trong LTE 13 CHƯƠNG 3 MÃ HÓA KÊNH ĐAN XEN VÀ PHỐI HỢP TỐC ĐỘ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN. .. là các vấn đề sau: Tổng quan về LTE, các thách thức và một số phương pháp then chốt để khắc phục các thách thức trong truyền dẫn tốc độ cao ở LTE Các lý thuyết về mã hóa kênh và một số phương pháp mã hóa kênh phổ biến được chuẩn hóa bởi các tổ chức 3GPP, 3GPP2 Phân tích các sơ đồ mã hóa kênh trong 4G LTE Thực hiện mô phỏng và đánh giá về chất lượng sơ đồ mã hóa turbo trong 4G LTE Hướng nghiên cứu. .. 3.4.4 Phối hợp tốc độ trong mã hóa kênh dữ liệu LTE Với việc áp dụng phương pháp mã hóa điều chế thích ứng, điều chế, mã hóa kênh, và chỉ định tài nguyên trong LTE có thể thay đổi ở mỗi lần truyền lại với số bit mã hóa trong lần truyền lại sẽ khác so với lần truyền đầu tiên Do đó yêu cầu cần có một phương thức phối hợp tốc độ có độ thích ứng và linh hoạt cao Phối hợp tốc độ mã hóa kênh dữ liệu bao gồm các. .. 3.4 Module phối hợp tốc độ trong sơ đồ mã hóa kênh dữ liệu của LTE - Đan xen khối con Sub-block interleaver - Bộ đệm vòng trong LTE : Bộ đệm vòng là thành phần quan trọng nhất của module phối hợp tốc độ trong sơ đồ mã hóa kênh dữ liệu LTE Bộ đệm vòng có trách nhiệm trích bỏ (đục lỗ) hoặc lặp lại các mã gốc nếu cần - Chọn lựa và trích bỏ bit 3.4.5 Giải mã ở phía thu Bộ giải mã turbo trong LTE cũng được... hợp tốc độ kênh điều khiển của LTE cũng tương tự như bộ đệm vòng trong mô hình phối hợp tốc độ kênh dữ liệu được trình bày trước đó 3.6 Kết hợp các khối mã Kết hợp các khối mã được thực hiện khi mà số lượng khối mã lớn hơn 1 (C>1) tức là trong trường hợp mã hóa kênh dữ liệu (sử dụng mã hóa turbo) Kết nối các khối mã thực hiện kết nối theo thứ tự các khối mã khác nhau ở đầu ra của bộ phối hợp tốc độ 3.7... HARQ và các phiên bản dư RV trong LTE HARQ trong LTE (hay còn gọi là yêu cầu tự động lặp lại lai) là một kỹ thuật sửa lỗi bằng cách yêu cầu truyền lại các gói bị lỗi trong quá trình truyền 3.7 Kết luận Cũng giống như với chuẩn 3G UMTS, 4G LTE chủ yếu sử dụng hai phương pháp mã hóa kênh là mã turbo và mã xoắn để mã hóa kênh dữ liệu và kênh điều khiển Tuy nhiên, bộ đan xen nội bên trong của sơ đồ mã hóa. .. trợ tốc độ dữ liệu cao trong LTE Tuy nhiên, việc tăng khả năng hỗ trợ xử lý song song trong sơ đồ mã hóa và giải mã lại dẫn tới sự phức tạp khi xử lý giá trị ngoại lai tới và từ bộ nhớ trong quá trình giải mã 18 3.5 Mã hóa kênh điều khiển trong LTE Không giống như dữ liệu, các thông tin điều khiển (như kênh PDCCH, PBCH) được mã hóa kênh bằng mã xoắn Hình 3.5 Xử lý mã hóa kênh điều khiển trong LTE. .. Code: mã xoắn móc nối song song) Mã này bao gồm nhiều bộ mã hoá thành phần Để đạt đựơc hiệu năng tốt, các mã thành phần phải là các mã hồi quy nhưng không nhất thiết phải là các mã hệ thống Tuy nhiên để đơn giản các mã thành phần thường được sử dụng là các mã hệ thống và vì thế các mã RSC (Recursive Systematic Convolutional: Mã xoắn hồi quy hệ thống) thường được sử dụng Mã xoắn được coi là mã xoắn hệ thống . mình là:
“
Nghiên
cứu
các
sơ
đồ
mã
hóa
kênh
đan
xen
và
phối
hợp
tốc
độ
trong
hệ
thống
thông
tin
di
động
băng
. hơn về các phương pháp mã hóa kênh
đan xen và phối hợp tốc độ, ứng dụng của các phương pháp này vào hệ thống thông
tin di động băng rộng 4G LTE, tôi
Ngày đăng: 14/02/2014, 08:42
Xem thêm: Nghiên cứu các sơ đồ mã hóa kênh, đan xen và phối hợp tốc độ trong hệ thống thông tin di động 4g LTE, Nghiên cứu các sơ đồ mã hóa kênh, đan xen và phối hợp tốc độ trong hệ thống thông tin di động 4g LTE