127918321-nghien-cuu-ma-turbo-141108110236-conversion-gate02

8/20/2019 127918321-nghien-cuu-ma-turbo-141108110236-conversion-gate02

1/55

MỤC LỤC

MỤC LỤC ............................................................................................................. 1 MỤC LỤC HÌNH ................................................................................................... 2 MỤC LỤC BẢ NG .................................................................................................. 3

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................. 4 CHƢƠNG I ............................................................................................................ 6

TỔ NG QUAN VỀ MÃ TURBO .............................................................................. 6 1.1. Mã kênh trong thông tin số ........................................................................... 6

1.1.1. Mã khối .............................................................................................. 7 1.1.2. Mã chậ p ............................................................................................ 10

1.2. Sự k ết nối mã và ra đờ i của mã Turbo (TURBO CODE) .............................. 16 1.3. Bộ mã hóa tích chậ p hệ thống đệ quy RSC .................................................. 17

1.3.1. Mã tích chậ p hệ thống và không hệ thống ........................................... 17

1.3.2. Mã tích chập đệ quy và không đệ quy ................................................ 18 1.3.3. Bộ mã tích chậ p hệ thống đệ quy ....................................................... 18

1.4. Quyết định cứng và quyết định mềm ........................................................... 19 1.5. Mã hóa mã turbo PCCC (parallel concatenated convolutional code) ............. 20

1.5.1. Bộ mã hóa ........................................................................................ 20 1.5.2. K ỹ thuật punturing ............................................................................ 22 1.5.3. Bộ ghép xen (interleaver) .................................................................. 22

1.6. Giải mã Turbo ............................................................................................ 29 1.6.1. Tổng quan về các thuật toán giải mã .................................................. 29 1.6.2. Giải thuật MAP ................................................................................. 32 1.6.3. Nguyên lý của bộ giải mã viterbi đầu ra mềm ..................................... 33

K ết luận ........................................................................................................... 36 CHƢƠNG II ........................................................................................................ 37 MÃ TURBO TRONG HỆ THỐ NG W-CDMA ...................................................... 37

2.1. Công nghệ W - CDMA ............................................................................... 37 2.2. Kiến trúc cho công nghệ WCDMA theo 3GPP ............................................ 38

2.2.1. Thiết bị ngƣờ i sử dụng ....................................................................... 40 2.2.2. Mạng truy nhậ p vô tuyến UMTS ........................................................ 40 2.2.3. Bộ điều khiển mạng vô tuyến ............................................................. 41 2.2.4. Node B ............................................................................................. 42

2.2.5. Mạng lõi ........................................................................................... 42 2.3. Mã hoá Turbo trong W-CDMA ................................................................... 45

2.3.1. Bộ mã hoá Turbo .............................................................................. 45 2.3.2. K ết thúc tr ạng thái của mã Turbo ....................................................... 46

CHƢƠNG III ....................................................................................................... 47 MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢ NG MÃ TURBO ....................................... 47

3.1. Chƣơng trình mô phỏng hệ thống W – CDMA ............................................ 47 3.2. K ết quả mô phỏng theo tỉ lệ giữa BER và E b/ N0 vớ i ma tr ận sinh G(13, 15). 48

K ẾT LUẬ N.......................................................................................................... 53


2/55

2

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1. Sơ đồ phân loại mã kênh ................................................................................ 6

Hình 1.2. Sơ đồ tạo mã chậ p ....................................................................................... 10

Hình 1.3. Bộ tạo mã chậ p ............................................................................................. 11

Hình 1.4. Mã chậ p (2,1,3) ............................................................................................. 13

Hình 1.5. Sơ đồ hình cây của bộ mã (2,1,3) ................................................................. 14

Hình 1.6. Sơ đồ hình lƣớ i bộ mã chậ p (2,1,3) và bộ phát mã (7,5). ............................. 15

Hình 1.7. Sơ đồ tr ạng thái của bộ mã chậ p (2,1,3) ....................................................... 15

Hình 1.8. Mã k ết nối nối tiế p ........................................................................................ 16

Hình 1.9. Mã k ết nối song song .................................................................................... 16

Hình 1.10. Bộ mã hóa tích chậ p hệ thống .................................................................... 17

Hình 1.11. Bộ mã tích chậ p không hệ thống ................................................................ 18 Hình 1.13. Bộ mã hoá RSC vớ i r=1/2 k=1 .................................................................. 19

Hình 1.14. Bộ mã hoá PCCC tổng quát........................................................................ 21

Hình 1.15. Mã PCCC tốc độ 1/3 gồm 2 bộ mã hoá chậ p hệ thống đệ quy .................. 21

Hình 1.16. Bộ ghép xen làm tăng trọng số mã của bộ mã hoá RSC2 so vớ i RSC1 ..... 23

Hình 1.17. Ví dụ minh họa khả năng của bộ ghép xen ................................................ 23

Bảng 1.10. Các giá tr ị x1 đến x15 đƣợc đọc ra theo đƣờ ng chéo .................................. 25

Hình 1.18. Bộ ghép xen giả ngẫu nhiên với độ dài chuỗi đầu vào L= 8 ...................... 26

Hình 1.19. Bộ ghép xen dịch vòng vớ i L=8, a=3, s=0 ................................................. 26

Bảng 1.12. Bộ ghép xen khối 3x3 ................................................................................ 27

Hình 1.19. Tổng quan các thuật toán giải mã ............................................................... 30

Hình 1.20. Bộ giải mã lặ p MAP ................................................................................... 32

Hình 1.21. Bộ giải mã SOVA k ết nối ........................................................................... 33

Hình 1.22. Sơ đồ khối bộ giải mã SOVA ..................................................................... 34

Hình 1.24. Bộ giải mã SOVA lặ p ................................................................................. 34

Hình 2.1. Kiến trúc mạng 3G trong 3GPP phát hành năm 1999 .................................. 39 Hình 2.2. Cấu trúc của bộ mã hoá Turbo 8 tr ạng thái (K=4) ....................................... 45

Hình 3.1. Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống W – CDMA sử dụng mã Turbo ................. 47


3/55

3

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1.1. Mã khối tuyến tính (6,3) ................................................................................ 9

Bảng 1.3 Bảng tr ạng thái của bộ mã 00, 01, 10, 11 ..................................................... 15

Bảng 1.4. Các chuỗi đầu vào và đầu ra của bộ mã hóa trong hình 1.17 ...................... 24

Bảng 1.7. Chuỗi vào x1 đến x18 đƣợ c viết vào theo ma tr ận......................................... 25

Bảng 1.8. Chuỗi dữ liệu x1 đến x18 viết ra theo hàng ................................................. 25

Bảng 1.9. Chuỗi dữ liệu x1 đến x15 đƣợc đọc vào theo cột........................................... 25

Bảng 1.11. Bộ ghép xen chẵn lẻ vớ i L=9 ..................................................................... 27

Bảng 1.13. Các bit chẵn của chuỗi c3 đƣợc lƣu trữ vớ i chuỗi tin x .............................. 28

Bảng 1.14. Chuỗi tin x và chuỗi mã hóa đƣợ c ghép .................................................... 28


4/55

4

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AuC Authentication Center Trung tâm nhận thựcBER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit

CDMA Code Division Multipe Access Đa truy nhập phân chia theo mã CN Core Network Mạng lõi CRC Cyclic Redundance Check Kiểm tra các bit dƣ theo chu kỳ CS Circuit Switch Chuyển mạch kênh

E b/N0 Energy of a Bits/Noise Năng lƣợng bít/ Mật độ công suất tạpâm

EIR Equipment Identity Register Bộ nhận dạng thiết bịGGSN Gateway GPRS Support Node cổng hỗ trợ dịch vụ GPRSGMSC Gateway MSC Trung tâm chuyển mạch di động cổng

HCCC

Hybrid Concatenated Convolutional

Code Mã chập kết nối hỗn hợp HLR Home Location Register Thanh ghi định vị thƣờng trú HLR Home Location Register Thanh ghi định vị thƣờng trú

IMEIInternational Mobile EquipmentIdentity

Số nhận dạng thiết bị di độngquốc tế

IMSIInternational Mobile SubsscriberIdentity

Số nhận dạng thuê bao di độngquốc tế

MAP Maximum A Posteriori Thuật toán cực đại hậu nghiệm ME Mobile Equipment Thiết bị di động

ML Maxium Likelihood Khả năng cực đại MSC Mobile Switching Center Trung tâm chuyển mạch di động

PCCCParallel Concatenated ConvolutionalCode Mã chập kết nối song song

PDP Packet Data Protocol Giao thức số liệu gói PS Packet Switch Chuyển mạch gói RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến

RSCRecursive Systematic ConvolutionalCode Mã chập hệ thống đệ quy

SCCC Serial Concatenated ConvolutionalCode Mã chập kết nối nối tiếp SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ dịch vụ GPRSSISO Soft Input Soft Output Đầu vào mềm, đầu ra mềm SLVA Serial List Viterbi Algorithm Thuật toán Viterbi liệt kê nối tiếp

SOVA Soft Output Viterbi Algorithm Thuật toán Viterbi đầu ra mềm SRN Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm SRN Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

TC Turbo code Mã Turbo

TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuốiUE User Equipment Thiết bị thuê bao


5/55

5

UMTSUniversal Mobile TelecommunicationSystem

Hệ thống viễn thông di động toàncầu

USIM UMTS Subcriber Identity Module Module nhận dạng thuê bao UMTS

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Networkmạng truy nhập vô tuyến mặt đấtUMTS

VA Viterbi Algorithm Thuật toán Viterbi VLR Visitor Location Register Thanh ghi định vị tạm trú

WCDMA Wideband – CDMA CDMA băng rộng


6/55

6

CHƢƠNG I

TỔNG QUAN VỀ MÃ TURBO

Sau 50 năm kể từ khi Shannon đƣa ra lý thuyết thông tin số, lần đầu tiên các nhà

nghiên cứu về mã hoá mới tìm đƣợ c một phƣơng pháp mã hoá tiế p cận đƣợ c gần tớ i

dung lƣợ ng của kênh Gaussian, đó chính là phát hiện ra mã Turbo vào năm 1993. Việc

k ết hợ p giữa mã hoá vớ i ghép xen ở phía phát và giải mã lặ p ở phía thu đã cho những

k ết quả bất ngờ. Tuy nhiên, cơ sở lý thuyết cho mã Turbo vẫn chƣa đƣợ c hoàn thiện.

Vì vậy, việc tìm hiểu về mã Turbo có ý nghĩa khoa học cao.

Chƣơng này trình bày:

-

Mã kênh trong thông tin số.

- Sự k ết nối các mã và sự ra đờ i của mã Turbo (TC).

- Giớ i thiệu về mã chậ p hệ thống đệ quy (Recursive Systematic

Convolutional Code_RSC), là cơ sở của việc tạo ra mã TC.

- Chi tiết cấu trúc bộ mã hóa PCCC.

- Thuật toán giải mã Turbo.

1.1. Mã kênh trong thông tin số Mã kênh thƣờng đƣợ c chia làm hai loại, đó là mã dạng sóng (Waveform) và mã

chuỗi có cấu trúc (Structured sequence).

Hình 1.1. Sơ đồ phân loại mã kênh

Mã kênh

Mã chuỗi có cấu trúc Mã d n són

Mã đối c c

Mã tr c iao

Mã lƣớ i

Mã tín hi u đa mức

Mã khối

Mã ch

Mã liên k ết


7/55

7

Mã khối là bộ mã không nhớ (chuỗi bit nhận đƣợ c ở đầu ra của bộ mã chỉ phụ

thuộc vào bản tin đầu vào hiện hành mà không phụ thuộc vào bản tin trƣớc đó). Trái

ngƣợ c vớ i mã khối là mã chập, đây là bộ mã có nhớ (chuỗi bit nhận đƣợ c ở đầu ra của

bộ mã không chỉ phụ thuộc vào bản tin đầu vào hiện hành mà còn phụ thuộc vào mộtvài bản tin trƣớc đó). Mã liên kết là sự k ết hợ p của hai bộ mã vòng trong và vòng

ngoài đƣợ c phân biệt bở i bộ xáo tr ộn.

Năm 1967, Forney đƣa ra sơ đồ mã hoá gồm mã vòng trong là mã chậ p và mã vòng

ngoài là mã khối Reed-Solomon. Sau đó, năm 1993 Berrou đƣa ra bộ mã Turbo có cấu

trúc gồm hai bộ mã chậ p k ết nối song song thông qua xáo tr ộn. Năm 1996, Benedetto đƣa

ra sơ đồ mã gồm hai mã chậ p liên k ết nối tiế p. Các bộ mã này đều sử dụng thuật toán giải

mã lặ p và có chất lƣợ ng tiến tớ i giớ i hạn Shannon.

Bộ mã Turbo là một bộ mã có nhớ , có cấu trúc gồm hai bộ mã chậ p liên k ết song

song PCCC thông qua xáo tr ộn và khi xem xét mã Turbo xử lý theo từng khối bit

thông tin thì có thể coi bộ mã Turbo nhƣ một bộ mã khối. Do vậy, trong phần này sẽ

đề cậ p tớ i bộ mã khối (block code), bộ mã chậ p (convolutional code) và bộ mã Turbo

(Turbo code).

1.1.1. Mã khối

a) Cấu trúc mã khối

Mã khối là một bộ mã (n, k ) nhận một bản tin đầu vào k ký hiệu và biến đổi thành

một chuỗi n ký hiệu tại đầu ra đƣợ c gọi là từ mã. Đặc trƣng quan trọng nhất của bộ mã

khối là từ mã đầu ra chỉ phụ thuộc vào bản tin đầu vào hiện hành mà không phụ thuộc

vào các bản tin trƣớc đó. Do đó, mã khối là một bộ mã không nhớ . Nếu bản tin đầu

vào và từ mã đầu ra là các ký hiệu nhị phân thì bộ mã khối đƣợ c gọi là bộ mã khối nhị

phân, bộ mã này thƣờng đƣợ c sử dụng vì có độ phức tạ p vừa phải. Trong mã khối (n,

k ) nhị phân, có 2k bản tin có độ dài k bit đầu vào khác nhau đƣợ c bộ mã khối sắ p xế p

thành 2k từ mã có độ dài n bit đầu ra khác nhau và tốc độ mã là R = k /n.

Một bộ mã khối đƣợ c gọi là tuyến tính khi thoả mãn cả hai điều kiện là nó chứa

một từ mã “toàn 0” và tổng modul 2 của hai từ mã thành phần là một từ mã khác. Một

mã khối tuyến tính (n, k ) có thể đƣợ c tạo ra từ một tậ p k các véc tơ độc lậ p tuyến tính


8/55

8

dài n là g 0, g 1,..., g k -1. Các từ mã nhận đƣợ c là tổ hợ p tuyến tính của k véc tơ này. Do

đó, từ mã ứng vớ i bản tin c = (c0, c1, ..., ck -1) có thể biểu diễn là:

v = c0. g 0 + c1. g 1 + ...+ ck -1. g k -1 vớ i phép cộng modul-2 theo từng phần tử.

Nếu sắ p xế p k véc tơ đó theo hàng trong ma trận k n sau:

Vớ i g i, j = 0 hoặc 1 thì G đƣợ c gọi là ma tr ận sinh của mã (ma tr ận tạo mã).

Từ mã v ứng vớ i bản tin c đƣợ c biểu diễn là:

v = c.G = c0. g 0 + c1. g 1 +... + ck -1. g k -1.

Ví d ụ 1.1: Cho mã khối tuyến tính (6, 3) vớ i ma tr ận sinh là:

100011

010101

001110

2

1

0

g

g

g

G (1. 1)

Bản tin c = ( 1 0 1 ) đƣợc mã nhƣ sau :

v = c. G = 1 . (011100) + 0 . (101010) + 1 . (110001)

= (011100) + (000000) + (110001) = (101101).

Các từ mã đầu ra bộ mã khối tuyến tính tƣơng ứng vớ i các bản tin đầu vào trong ví

dụ 1.1 đƣợ c liệt kê trong bảng 1.1.

Các bản tin

(c0, c1, c2)

Các từ mã

(v0, v1, v2, v3, v4,

v5)


9/55

9

(000)

(100)

(010)

(110)(001)

(101)

(011)

(111)

(000000)

(011100)

(101010)

(110110)(110001)

(101101)

(011011)

(000111)

Bảng 1.1. Mã khố i tuyế n tính (6,3)

Về cấu trúc, bộ mã khối hệ thống tuyến tính gồm hai phần: phần đầu là chuỗi

kiểm tra có độ dài n-k -1 chữ số, phần tiế p theo là bản tin có độ dài k chữ số (chính là

bản tin đầu vào). Cấu trúc từ mã đƣợ c biểu diễn nhƣ sau:

m·Tõ

tinnB¶trakiÓmChuçi

tinnB¶

110110110 ,,,,,,,,,, k k nk cccvvvccc

Ma tr ận sinh của mã khối hệ thống tuyến tính có dạng: G = [P Ik ].

Trong đó, P là ma trận k (n-k ) và Ik là ma tr ận đơn vị k k .

Từ ví dụ 1.1 trên ta có:

k k I P

g

g

g

100011

010101

001110

3

1

0

G (1. 2)

b) Khoảng cách cự c tiểu của mã khối

Xét mã khối tuyến tính (n, k ). Ta thấy ngoài tham số tốc độ mã còn có tham số

quan tr ọng khác là tr ọng số Hamming (hay tr ọng số) của từ mã v, tức là số các phần tử

khác “0” (vớ i mã nhị phân là tổng các bit “1”) trong từ mã. Mỗi từ mã có một tr ọng số

xác định, tậ p hợ p tất cả các tr ọng số của các từ mã trong bộ mã lậ p thành phân bố

tr ọng số của bộ mã. Khi tậ p M = 2k từ mã có tr ọng số bằng nhau thì bộ mã đó đƣợ c gọi

là bộ mã có tr ọng số không đổi hay bộ mã có tr ọng số cố định.


10/55

10

Khoảng cách Hamming giữa hai từ mã v và u đƣợ c ký hiệu là d v,u, vớ i v u, n

d v,u > 0 và đƣợc định nghĩa là số các vị trí khác nhau giữa hai từ mã. Ví dụ, nếu hai từ

mã là v = (100111) và u = (010001) thì khoảng cách Hamming giữa chúng là 4.

Khoảng cách Hamming giữa hai từ mã cũng chính là trọng số của tổng modul-2 củahai từ mã đó.

Khoảng cách Hamming cự c tiể u hay còn gọi là khoảng cách cự c tiể u của bộ mã,

ký hiệu là d min, đƣợc định nghĩa là khoảng cách Hamming nhỏ nhất giữa hai từ mã

khác nhau trong bộ mã. Nhƣ vậy, khoảng cách cực tiểu của mã khối tuyến tính chính là

tr ọng số nhỏ nhất của một trong các từ mã mà không phải là từ mã “toàn 0”. Điểm

quan tr ọng của tham số khoảng cách cực tiểu là trong thực tế nó xác định khả năng

phát hiện và sửa lỗi của bộ mã.

Từ ví dụ 1.1 ở trên, xét các từ mã trong bảng 1.1, thì khoảng cách Hamming cực

tiểu (hay là khoảng cách cực tiểu) của bộ mã là 3.

1.1.2. Mã chập

a) Giớ i thiệu mã chập

Mã chậ p là một loại mã sửa lỗi trong đó mỗi ký hiệu k bit (chuỗi k bit) đƣợ c mãhóa thành một ký hiệu n bit (n ≥ k). Mỗi lần đầu vào dịch k bit sẽ cho n bit đầu ra. Tốc

độ mã hóa là r = k/n.

Dữ liệu vào đƣợc lƣu giữ trong bộ đệm có độ dài xác định. Đầu ra là một tổ hợ p của

dữ liệu vào và các dữ liệu trong bộ đệm. Việc mã hóa đƣợ c tiến hành liên tục theo các

bƣớ c dịch vào của dòng dữ liệu mà không theo từng cụm nhƣ mã khối

Hình 1.2. Sơ đồ t ạo mã chậ p


11/55

11

Tại mỗi thời điểm, đầu ra không chỉ phụ thuộc k bit lối vào mà còn phụ thuộc vào

k(N - 1) bit trƣớc đó trong bộ đệm. Số tr ạng thái trong bộ đệm là 2k(N-1).

N đƣợ c gọi là độ dài ràng buộc của mã chậ p. Bộ tạo mã chậ p hữu hạn tr ạng thái

gồm M tầng thanh ghi có các đƣờ ng cố định trƣớ c vớ i n bộ cộng modul 2 và bộ hợ pkênh các lối ra của bộ cộng modul 2 này .

Khi đó bản tin L bit tạo nên n(L/k +N) bit lối ra, tốc độ của bộ mã hoá là :

n

k

)(

N k

Ln

Lr , khi L >> N

Độ dài ràng buộc là số dịch mà qua đó một bit đơn (một nhóm bit) có thể ảnhhƣởng lên đầu ra. Trƣờ ng hợ p dịch 1 bit, thanh ghi dịch có M tầng nên N = M + 1 là

độ dài ràng buộc.

Ví d ụ 1.2: n = 2, N = 4, k = 1 nên tốc độ mã là r = ½, khi đó đƣa một dãy dữ liệu

đầu vào 1 bit sẽ cho ta 2 bit dữ liệu đầu ra, đa thức tạo mã là G(11, 13).

Hình 1.3. Bộ t ạo mã chậ p

Một bộ mã chập thƣờng đƣợc định nghĩa theo vị trí của dãy tạo mã (đa thức sinh)

g1(i), g2

(i) ,… gM(i). Ở đó thành phần của nhánh thứ i của dãy g j (1 ≤ j ≤ kN, 1 ≤ i ≤

n) sẽ là 1 nếu thành phần của thanh ghi đƣợ c nối đến bộ tổ hợ p ở lối ra ở lối ra i, sẽ là

0 nếu không đƣợ c nối.

g(i)(D) = g0(i) + g1

(i)D + g2(i)D2 +… + g N

(i)D N (1.4)

Trong đó: D là phần tử tr ễ.

Bộ mã hoá đầy đủ thể hiện đa thức sinh G nhƣ sau :


12/55

12

)(

...

)(

)(

2

1

D

D

D

G

g

g

g

n

(1.5)

Hình 1.3 có 2 nhánh: nhánh 1 có đa thức sinh là (1, 0, 1, 1), nhánh 2 là (1, 1, 0 , 1).

Do đó ta có đa thức sinh là :

1 0 1 1

1 1 0 1G

Tƣơng ứng ta có g(1) = 1 + D2 + D3 và g(2) = 1 + D + D3 .

Vớ i bản tin lối vào là (1 0 0 1 1) thì biểu diễn đa thức bản tin lối vào là :

M(D) = 1 + D3+ D4

Tƣơng tự nhƣ biến đổi fourier, phép nhân tích chậ p trong miền thời gian tƣơng tự

nhƣ phép nhân trong miền D. Do đó lối ra của đa thức nhánh 1 là:

c(1)(D) = g(1)(D)M(D) = (1 + D2+ D3)(1 + D3 + D4) = 1 + D2 + D4+ D5+ D7

Do đó, lối ra 1 là 10101101.

Tƣơng tự, lối ra 2 sẽ là:

c(2)(D) = g(2)(D)M(D) = (1 + D + D3)(1 + D3 + D4) = 1 + D + D5+ D6 + D7

Hay lối ra 2 là 11000111.

Cuối cùng hợ p kênh 2 lối ra này ta có dãy mã lối ra là :

c = (11, 01, 10, 00, 10, 11, 01, 11).Vớ i bản tin L = 5 tạo dãy mã dài n(L + N – 1) = 16 bit.

Để thanh ghi tr ở về tr ạng thái zero ban đầu thì phải có N – 1 = 3 zero tại cuối bản

tin. Dãy N – 1 zero này gọi là đuôi bản tin.

b) Biểu diễn mã chập


13/55

13

Có ba phƣơng pháp để biểu diễn mã chập đó là: sơ đồ lƣới, sơ đồ tr ạng thái, và sơ

đồ hình cây. Để làm rõ phƣơng pháp này ta tậ p trung phân tích dựa trên ví dụ hình 1.4

vớ i bộ mã (2,1,3), đa thức sinh (7,5).

Hình 1.4. Mã chậ p (2,1,3)

Sơ đồ hình cây

Từ ví dụ hình 1.4, giả thiết tr ạng thái ban đầu của các thanh ghi dịch trong bộ mã

đều là tr ạng thái “toàn 0”. Nếu bit vào đầu tiên là bit “0” thì đầu ra ta nhận đƣợ c chuỗi

“00”, còn nếu bit vào đầu tiên là bit “1” thì đầu ra ta nhận đƣợ c chuỗi “11”. Nếu bit

vào đầu tiên là bit “1” và bit vào tiếp theo là bit “0” thì chuỗi thứ nhất là “11” và

chuỗi thứ hai là chuỗi “10”. Với cách mã hoá nhƣ vậy, ta có thể biểu diễn mã chậ p

theo sơ đồ có dạng hình cây (xem hình 1.5). Với hƣớng lên là hƣớ ng của bit 0 đi vào

bộ mã, nhánh đi xuống biểu hiện cho bit 1 đƣợ c dịch vào. Từ sơ đồ hình cây ta có thể

thực hiện mã hoá bằng cách dựa vào các bit đầu vào và thực hiện lần theo các nhánh

của cây, ta sẽ nhận đƣợ c tuyến mã, từ đó ta nhận đƣợ c dãy các chuỗi đầu ra.


14/55

14

00

10

0

1

00

10

01

11

00

10

01

11

00

10

01

11

00

00

11

00

11

00

10

01

10

01

11

11

00

01

10

Hình 1.5. Sơ đồ hình cây của bộ mã (2,1,3)

Sơ đồ hình lƣớ i

Do đặc tính của bộ mã chậ p, cấu trúc vòng lặp đƣợ c thực hiện nhƣ sau: chuỗi n bit

đầu ra phụ thuộc vào chuỗi k bit đầu vào hiện hành và (N-1) chuỗi đầu vào trƣớc đó

hay (N-1) × k bit đầu vào trƣớc đó. Từ ví dụ hình 2.4 ta có chuỗi 2 bit đầu ra phụ

thuộc vào 1 bit đầu vào là “1” hoặc “0” và 4 trạng thái có thể có của hai thanh ghi dịch,

là “00”; “01”; “10”; “11”. Từ sơ đồ hình cây trên, ta thấy r ằng tại tầng thứ 3, cứ mỗi

tr ạng thái 00, 01, 10, 11 đều có 2 nhánh đến từ các tr ạng thái trƣớc đó tùy thuộc vào bit

đƣợ c dịch vào bộ mã là bit 0 hay bit 1. Vớ i tính chất đó ta có thể biểu diễn mã chậ p

bằng sơ đồ có dạng hình lƣớ i gọn hơn, trong đó các đƣờ ng liền nét đƣợ c ký hiệu cho

bit đầu vào là bit “1” và đƣờng đứt nét đƣợ c ký hiệu cho các bit đầu vào là bit “0”

(xem hình 1.6). Ta thấy r ằng từ sau tầng thứ hai hoạt động của lƣớ i ổn định, tại mỗinút có hai đƣờng vào nút và hai đƣờ ng ra khỏi nút. Trong hai đƣờng đi ra thì một ứng

với bit đầu vào là bit “0” và đƣờ ng còn lại ứng với bit đầu vào là bit “1”.


15/55

15

T=1T=0

State

00

State

01

State

10

State

11

00

11

T=2

11

00

10

01

T=3

11

00

10

11

00

01

10

01

T=4

11

00

10

11

00

01

10

01

T=5

11

00

10

11

00

01

10

01

Hình 1.6. Sơ đồ hình lướ i bộ mã chậ p (2,1,3) và bộ phát mã (7,5).

Sơ đồ trạng thái

Sơ đồ tr ạng thái đƣợ c thực hiện bằng cách đơn giản sơ đồ 4 tr ạng thái có thể có

của bộ mã (00, 01, 10 và 11) và tr ạng thái chuyển tiế p có thể đƣợ c tạo ra từ tr ạng thái

này chuyển sang tr ạng thái khác, quá trình chuyển tiế p có thể là:

Next State/output symbol

Current State Input = 0 Input = 1

00 00/00 10/11

01 00/11 10/00

10 01/10 11/01

11 01/01 11/10

Bảng 1.3 Bảng tr ạng thái của bộ mã 00, 01, 10, 11

K ết quả ta thu đƣợc sơ đồ tr ạng thái trong hình 1.7 nhƣ sau:

Hình 1.7. Sơ đồ tr ạng thái của bộ mã chậ p (2,1,3)


16/55

16

Từ sơ đồ tr ạng thái hình 1.7, các đƣờ ng liền nét đƣợ c ký hiệu cho bit đầu vào là bit

“0” và đƣờng đứt nét đƣợ c ký hiệu cho các bit đầu vào là bit “1”. So vớ i sơ đồ hình

lƣới và sơ đồ hình cây thì sơ đồ tr ạng thái là sơ đồ đơn giản nhất.

1.2. Sự k ết nối mã và ra đờ i của mã Turbo (TURBO CODE)

Mã Turbo là sự k ết nối gồm hai hay nhiều bộ mã riêng biệt để tạo ra một mã tốt

hơn và cũng lớn hơn. Mô hình ghép nối mã đầu tiên đƣợ c Forney nghiên cứu để tạo ra

một loại mã có xác suất lỗi giảm theo hàm mũ tại tốc độ nhỏ hơn dung lƣợ ng kênh

trong khi độ phức tạ p giải mã chỉ tăng theo hàm đại số. Mô hình này bao gồm sự k ết

nối nối tiế p một bộ mã trong và một bộ mã ngoài.

For ney đã sử dụng một bộ mã khối ngắn hoặc một bộ mã tích chậ p vớ i giải thuậtgiải mã Viterbi xác suất lớ n nhất làm bộ mã trong và một bộ mã Reed-Salomon dài

không nhị phân tốc độ cao vớ i thuật toán giải mã sửa lỗi đại số làm bộ mã ngoài.

Mục đích lúc đầu chỉ là nghiên cứu một lý thuyết mới nhƣng sau này mô hình

ghép nối mã đã trở thành tiêu chuẩn cho các ứng dụng cần độ lợ i mã lớ n. Có hai kiểu

k ết nối cơ bản là k ết nối nối tiế p (hình 1.8) và k ết nối song song ( hình 1.9).

Hình 1.8. Mã k ế t nố i nố i tiế p

Bộ mã hoá 1 đƣợ c gọi là bộ mã ngoài, còn bộ mã hoá 2 là bộ mã trong.

Đối vớ i mã k ết nối nối tiế p, tốc độ mã hoá: R nt=k 1k 2/n1n2.

Đối vớ i mã song song, tốc độ mã hoá là: R ss=k/(n1+n2).

Hình 1.9. Mã k ế t nố i song song

Trên chỉ là các mô hình k ết nối lý thuyết. Thực tế các mô hình này cần phải sử

dụng thêm các bộ ghép xen giữa các bộ mã hoá nhằm cải tiến khả năng sửa sai.

Bộ mã hoá 1r = k 1/n1

Bộ mã hoá 2r = k 2/n2

Ngõ vào Ngõ ra


17/55

17

Năm 1993, Claude Berrou, Alain Glavieux, Puja Thitimajshima đã cùng viết tác

phẩm “ Near Shannon limit error correcting coding and decoding: TURBO CODE”

đánh dấu một bƣớ c tiến vƣợ t bậc trong nghiên cứu mã sửa sai. Loại mã mà họ giớ i

thiệu thực hiện trong khoảng 0.7dB so vớ i giớ i hạn của Shannon cho kênh AWGN.Loại mã này đƣợ c gọi là mã Turbo, thực chất là sự k ết nối song song các bộ mã tích

chập đặc biệt cùng vớ i các bộ ghép xen. Cấu hình này gọi là: “Kết nối song song các

mã tích chậ p ( Parallel Concatenated Convolutional Code- PCCC) “.

Ngoài ra cũng có “kết nối nối tiế p các mã tích chậ p (Serial Concatenated

Convolutional Code_SCCC)” và dạng “kết nối hỗn hợ p các bộ mã tích chập” (Hybrid

Concatenated Convolutional Code_HCCC)”. Các loại mã này có nhiều đặc điểm tƣơng

tự nhau và cùng xuất phát từ mô hình của Berrou nên gọi chung là: Turbo code (TC).

1.3. Bộ mã hóa tích chập hệ thống đệ quy RSC

Trong bộ mã TC sử dụng một bộ mã tích chập đặc biệt: mã tích chậ p hệ thống đệ

quy (Recursive Systematic Convolutional Code_RSC ).

1.3.1. Mã tích chập hệ thống và không hệ thống

Mã tích chậ p có tính hệ thống là mã tích chậ p mà có một phần tử mã ở đầu rachính là dãy tin đầu vào, tức là đầu vào của dãy tin đƣợc đƣa trực tiếp đến một trong

những đầu ra của bộ mã. Sơ đồ của bộ mã tích chậ p hệ thống nhƣ hình 1.10.

Hình 1.10. Bộ mã hóa tích chậ p hệ thố ng

Đối vớ i mã chậ p hệ thống thì ta có thể dễ dàng xác định từ mã ở đầu ra hơn so vớ i

mã chậ p không hệ thống. Do cấu trúc nhƣ vậy nên yêu cầu của bộ mã hóa và giải mã ít

phức tạp hơn so vớ i mã không hệ thống.


18/55

18

Mã chậ p không hệ thống có từ mã đầu ra không phản ánh đƣợ c dãy tin ở đầu vào,

tức là đầu ra của bộ mã không nối tr ực tiếp đến dãy tin đầu vào. Sơ đồ của bộ mã chậ p

không hệ thống nhƣ hình 1.11.

Hình 1.11. Bộ mã tích chậ p không hệ thố ng1.3.2. Mã tích chập đệ quy và không đệ quy

Mã tích chập đệ quy có từ mã ở đầu ra đƣợc đƣa hồi tiế p tr ở lại dãy tin đầu vào.

Sơ đồ nhƣ hình 1.12.

Hình 1.12. Bộ mã tích chập đệ quy

Mã tích chập không đệ quy có từ mã ở đầu ra của bộ mã không đƣợc đƣa hồi tiế p

tr ở lại đầu vào. Sơ đồ nhƣ hình 1.11.

1.3.3. Bộ mã tích chập hệ thống đệ quy

Để mô tả bộ mã hóa mã chập ngƣời ta đƣa ra các thông số của bộ mã hóa nhƣ sau:

(n, k, N) trong đó:

k : số đầu vào


19/55

19

n: số đầu ra

N: chiều dài constraint lengths (số ngăn lớ n nhất trên thanh ghi).

Trong đó k < n để ta có thể thêm độ dƣ vào luồng dữ liệu để thực hiện phát hiện

sai và sửa sai.

Một bộ mã tích chập thông thƣờng đƣợ c biểu diễn qua các chuỗi g1 = [1 1 1] và

g2 = [ 1 0 1] và có thể đƣợ c viết là G = [ g1,g2]. Bộ mã hoá RSC tƣơng ứng bộ mã hoá

tích chập thông thƣờng đó đƣợ c biểu diễn là G = [ 1, g2/g1 ] trong đó ngõ ra đầu tiên

(biểu diễn bở i g1) đƣợ c hồi tiế p về ngõ vào, c1 là ngõ ra hệ thống, c2 là ngõ ra

feedforward. Hình 1.13 trình bày bộ mã hoá RSC.

Hình 1.13. Bộ mã hoá RSC vớ i r=1/2 k=1

Một bộ mã hoá tích chập đệ quy có khuynh hƣớ ng cho ra các từ mã có tr ọng số

tăng so vớ i bộ mã hoá không đệ quy, nghĩa là bộ mã tích chập đệ quy cho ra ít từ mã

có tr ọng số thấp và cũng dẫn đến việc thực hiện sửa sai tốt hơn.

Đối vớ i mã Turbo, mục đích của việc thực hiện các bộ mã hoá RSC là tận dụng

bản chất đệ quy của các bộ mã hoá và tận dụng bộ mã hoá là hệ thống.

1.4. Quyết định cứ ng và quyết định mềm

Chuỗi tin sau khi truyền qua kênh truyền và đƣợ c giải điều chế thì sẽ đƣợc đƣa đến

bộ giải mã. Tín hiệu tại đầu ra của bộ giải điều chế và đầu vào của bộ giải mã sẽ quyết

định quá trình giải mã là “ cứng ”hay “mềm ”.

Nếu tín hiệu đến của bộ giải điều chế và đƣợ c bộ điều chế ra quyết định từng bít là

bít 0 hay 1 thì gọi là quyết định cứng. Ví dụ xét một hệ thống sử dụng tín hiệu đƣờ ng

D

+

+

x

c2

c1

+ D

g1

g2


20/55

20

dây là bipolar NRZ với biên độ là 1V. Nếu giá tr ị nhận đƣợ c là 0,8V hoặc 0,03V thì

đều đƣợ c quyết định là bit 1. Còn nếu giá tr ị nhận đƣợ c là -0,7V hoặc -0,02 thì đều

đƣợ c quyết định là bit 0. Nhƣ vậy ta thấy đƣợc phƣơng pháp sai sót của quyết định

cứng là dù 0,8V hay 0,03V thì bộ giải mã cũng nhận đƣợ c bít 1 trong khi giá tr ị 0,8Vcó xác suất đúng là bit 1 cao hơn nhiều so với 0,03V. Nhƣ vậy, bộ giải mã không có

thông tin nào về độ chính xác của quyết định từ bộ giải điều chế. Việc này sẽ làm cho

chất lƣợ ng của bộ giải mã không chỉ phụ thuộc vào bộ giải mã mà còn phụ thuộc vào

bộ giải điều chế và chất lƣợ ng không cao. Tuy nhiên quyết định cứng dễ dàng hơn cho

việc giải mã.

Nếu bộ giải điều chế không tự quyết định xem giá tr ị lấy mẫu nhận đƣợ c là bit 0

hay bit 1 mà đƣa thẳng cho bộ giải mã để bộ giải mã có đầy đủ thông tin về bit sau khi

đã qua kênh truyền thì vớ i cấu trúc phù hợ p bộ giải mã sẽ cho các quyết định chính xác

hơn, tức là chất lƣợng cao hơn. Bộ giải mã sẽ tính toán các giá tr ị để xét độ tin cậy của

từng giá tr ị và cuối cùng mớ i quyết định. Điều này sẽ làm giảm khả năng có thể xẩy ra

lỗi và độ lợ i mã tổng cộng có thể tăng 2,5 dB so vớ i giải mã cứng đối với môi trƣờ ng

có SNR thấp. Tuy nhiên, để đạt đƣợc độ lợ i mã này thì bộ giải mã mềm sẽ có độ phức

tạp cao hơn rất nhiều so vớ i bộ giải mã cứng.

1.5. Mã hóa mã turbo PCCC (parallel concatenated convolutional code)

1.5.1. Bộ mã hóa

Mã PCCC là sự k ết nối song song của hai hay nhiều mã RSC. Thông thƣờng ngƣờ i

ta sử dụng tối thiểu hai bộ mã hoá tích chập. Sơ đồ khối mã PCCC tổng quát nhƣ hình

1.15.

Mỗi bộ mã hoá RSCi đƣợ c gọi là các bộ mã thành phần (constituent code). Các bộ

mã thành phần có thể khác nhau, tốc độ mã khác nhau nhƣng có cùng cỡ khối bit đầu

vào là k, các chuỗi mã hoá ngõ ra bao gồm một chuỗi hệ thống (chuỗi bit vào). Ở các

bộ mã hoá thứ hai tr ở đi, chuỗi bit nhận vào để mã hoá trƣớ c hết phải qua một bộ ghép

xen. Tất cả các chuỗi mã hoá ngõ ra sẽ đƣợ c hợ p lại thành một chuỗi bit duy nhất n bit

trƣớ c khi truyền .


21/55

21

Hình 1.14. Bộ mã hoá PCCC t ổ ng quát

Tốc độ mã hoá (code rate) của bộ mã hoá PCCC là: r = k/n.

Mỗi bit thông tin đầu vào sẽ tr ở thành một phần của từ mã ngõ ra (tính hệ thống)

và sẽ đƣợ c kèm theo bằng (1/r - 1) bit (gọi là bit parity) để sửa lỗi nếu có. Nếu r càng

nhỏ tức số bit parity đi kèm sẽ lớ n và dẫn đến khả năng sửa lỗi cao hơn rất nhiều

nhƣng tốc độ truyền giảm đi, số bit truyền nhiều hơn có nghĩa là băng thông lớn hơn

và độ tr ễ tăng lên. Theo khuyến cáo của các tổ chức định chuẩn thì giá tr ị r chỉ nên nhỏ nhất là 1/6 .

Trong quá trình hợ p các chuỗi mã hoá thành một chuỗi mã hoá duy nhất ta có thể

dùng một k ỹ thuật khá mớ i mẻ đó là k ỹ thuật puncturing.

Một mã Turbo tiêu biểu là loại đƣợ c k ết nối theo kiểu PCCC. Sơ đồ khối đƣợ c

biểu diễn trong hình 1.15.

Hình 1.15. Mã PCCC t ốc độ 1/3 g ồm 2 bộ mã hoá chậ p hệ thố ng đệ quy

c3

Bộ mã hoá

RSC1

Bộ mã hoá

RSC2Bộ ghép

xc2

c1


22/55

22

Bộ mã hoá Turbo cơ bản đƣợ c thiết k ế bằng cách k ết nối song song hai bộ mã hoá

hệ thống đệ quy tích chậ p lại vớ i nhau, hai bộ mã hoá thành phần đƣợ c phân cách nhau

bở i một bộ ghép xen (interleaving). Chỉ có một trong ba đầu ra của hai bộ RSC trên là

đầu ra của hệ thống, đầu ra của hệ thống có đƣợ c bằng cách thay đổi thứ tự vị trí của bit đầu vào. Tốc độ mã hoá của bộ mã này là r =1/3, bộ mã hoá RSC đầu tiên cho ra

chuỗi hệ thống c1 và chuỗi chập đệ quy c2, trong khi bộ mã hoá RSC thứ hai thì bỏ qua

chuỗi hệ thống của nó và chỉ cho ra chuỗi chập đệ quy c3.

1.5.2. Kỹ thuật punturing

K ỹ thuật punturing là k ỹ thuật dùng để tăng tốc độ mã của một bộ mã hoá mà

không làm thay đổi cấu trúc của bộ mã hoá. Tốc độ mã càng thấ p thì chất lƣợ ng càngcao nhƣng băng thông tăng. Ví dụ bộ mã tốc độ 1/3 có thể tr ở thành bộ mã hoá tốc độ

1/2 bằng cách thay vì 1 bit ngõ vào sẽ có tƣơng ứng 3 bit ngõ ra mã hoá thì ta cho đầu

ra mã hoá chỉ còn 2 bit. Bản chất của k ỹ thuật puncture là làm giảm n theo một quy

luật nào đó để tốc độ mã hoá r tăng lên.

Ví dụ:

Bộ mã trong hình 1.16, nếu chuỗi hệ thống c1 vẫn giữ nguyên và các chuỗi c

2và c

3

sẽ đƣợ c lấy xen k ẽ. Chuỗi c2 sẽ lấy các bit lẻ và chuỗi c3 lấy các bit chẵn thì bộ mã hóa

sẽ có tốc độ 1/2. Khi bộ giải mã nhận đƣợ c chuỗi bit đến thì nó sẽ thêm vào chuỗi này

các bit 0 tại những chỗ đã bị xoá bớt. Nhƣ vậy có thể làm sai lệch bit parity nên giảm

chất lƣợ ng.

1.5.3. Bộ ghép xen (interleaver)

Đối vớ i mã Turbo, có thể có một hay nhiều bộ ghép xen đƣợ c sử dụng giữa các bộ

mã hoá thành phần. Bộ ghép xen đƣợ c sử dụng tại bộ mã hoá nhằm mục đích hoán vị

tất cả các chuỗi đầu vào có tr ọng số thấ p thành chuỗi ra có từ mã đầu ra tr ọng số cao

hay ngƣợ c lại. Luôn đảm bảo vớ i một chuỗi đầu vào thì đầu ra một bộ mã hoá sẽ cho

từ mã tr ọng số cao còn bộ mã hoá kia sẽ cho ra từ mã tr ọng số thấp để làm tăng khoảng

cách tự do tối thiểu.

Bộ ghép xen không những đƣợ c sử dụng tại bộ mã hoá mà nó cùng vớ i bộ giải

ghép xen (deinterleaver) có trong bộ giải mã đóng một vai trò quan tr ọng. Vai trò của


23/55

23

bộ ghép xen tại bộ giải mã mớ i bộc lộ hết. Một bộ ghép xen tốt sẽ làm cho các đầu

vào của bộ giải mã SISO ít tƣơng quan vớ i nhau tức là mức độ hội tụ của thuật toán

giải mã sẽ tăng lên, đồng nghĩa vớ i việc giải mã chính xác hơn.

Hình 1.16. Bộ ghép xen làm tăng trọng số mã của bộ mã hoá RSC2 so vớ i RSC1

Ví dụ bộ ghép xen đƣợ c sử dụng để tăng trọng số của các từ mã nhƣ trong hình

1.16.

Từ hình 1.16, đối vớ i bộ mã hoá RSC1 thì chuỗi đầu vào x cho ra chuỗi mã tích

chập đệ quy có tr ọng số thấ p c2. Để tránh bộ mã hoá RSC2 cho ra chuỗi đầu ra đệ quy

khác cũng có trọng số thấ p, bộ ghép xen hoán vị chuỗi đầu vào x thành 1 chuỗi mớ i

vớ i hi vọng cho ra chuỗi mã tích chập đệ quy có tr ọng số cao c3. Vì vậy, tr ọng số mã

của mã PCCC là vừa phải, nó đƣợ c k ết hợ p từ mã tr ọng số thấ p của bộ mã hoá 1 và

tr ọng số cao của bộ mã hoá 2. Hình 1.17 là một ví dụ minh họa.

Hình 1.17. Ví d ụ minh họa khả năng của bộ ghép xen

Theo hình 2.11 chuỗi đầu vào xi cho ra các chuỗi ngõ ra c1i và c2i tƣơng ứng. Các

chuỗi đầu vào x1 và x2 là các chuỗi hoán vị khác nhau của x0. Bảng 2.1 trình bày k ết

quả của các từ mã và tr ọng số của các từ mã.

c2 Mã tr ọng số thấ p

Mã tr ọng số cao

Mã hệ thốngBộ mã hoá RSC 1

Bộ mã hoá RSC 2Bộ ghép xen

x c1

c3


24/55

24

Chuỗi ngõ vào

xi

Chuỗi ngõ ra

C1i

Chuỗi ngõ ra

C2i

Tr ọng số của từ mã

i

i = 0 1100 1100 1000 3

i = 1 1010 1010 1100 4

i = 2 1001 1001 1110 5

Bảng 1.4. Các chuỗi đầu vào và đầu ra của bộ mã hóa trong hình 1.17

Từ bảng trên cho thấy tr ọng số của từ mã có thể tăng bằng cách sử dụng bộ ghép

xen. Bộ ghép xen ảnh hƣởng đến việc thực hiện mã vì nó ảnh hƣở ng tr ực tiếp đến đặc

tính khoảng cách của mã. Bằng cách tránh các từ mã có tr ọng số thấ p, BER của mã

Turbo có cải tiến đáng kể. Vì vậy có nhiều bộ ghép xen khác nhau đã đƣợ c nghiên cứu

thiết k ế. Phần sau đây trình bày các bộ ghép xen tiêu biểu thƣờ ng sử dụng trong việc

thiết k ế mã Turbo.

a) Bộ ghép xen ma trận (bộ ghép xen khối)

Bộ ghép xen ma tr ận là bộ ghép xen thƣờng đƣợ c sử dụng nhất trong các hệ thốngliên lạc. Nó viết vào theo cột từ trên xuống dƣớ i, từ trái sang phải và đọc ra theo hàng

từ trái sang phải và từ trên xuống dƣớ i. hoặc có thể viết vào theo hàng và đọc ra theo

cột nhƣ hình dƣới đây:

x1 x7 x13

x2 x8 x14

x3 x9 x15

x4 x10 x16


25/55

25

x5 x11 x17

x6 x12 x18

Bảng 1.7. Chuỗ i vào x1 đế n x18 đượ c viế t vào theo ma tr ận

Vớ i chuỗi vào (x1, x2, x3, ……… x17, x18 ) dùng ma tr ận bộ ghép xen 63 ở trên

thì chuỗi ra là:

x1 x7 x13 x2 x8 x14 … … x12 x18

Bảng 1.8. Chuỗ i d ữ liệu x1 đế n x18 viế t ra theo hàng

b) Bộ ghép xen helical

Tƣơng tự bộ ghép xen ma tr ận (hàng cột ), bộ ghép xen helical cũng ghi vào theo

hàng (hoặc cột) nhƣng lại đọc ra theo đƣờ ng chéo.

Ví dụ : Các giá tr ị đọc vào nhƣ bảng sau:

x1 X6 x11

x2 X7 x12

x3 X8 x13

x4 X9 x14

x5 X10 x15

Bảng 1.9. Chuỗ i d ữ liệu x1 đế n x15 được đọc vào theo cột

Các giá tr ị đọc ra là:

X5 X9 X13 X3 X7 X11 X1 X10 X14 … X15

Bảng 1.10. Các giá tr ị x1 đế n x

15 được đọc ra theo đườ ng chéo

Một điều cần lƣu ý là ma trận ghép xen helical có số hàng lẻ.

c) Bộ ghép xen giả ngẫu nhiên

Bộ ghép xen giả ngẫu nhiên sử dụng tính ngẫu nhiên cố định tức là sắ p xế p các

chuỗi đầu vào theo một thứ tự hoán vị. Giả thiết độ dài của chuỗi đầu vào là L. Hình

sau trình bày bộ ghép xen ngẫu nhiên vớ i L = 8.


26/55

26

Hình 1.18. Bộ ghép xen giả ng ẫ u nhiên với độ dài chuỗi đầu vào L= 8

Bộ ghép xen giả ngẫu nhiên sử dụng tính ngẫu nhiên cố định và sắ p xế p chuỗi

đầu vào theo thứ tự hoán vị. Nhƣ hình trên bộ ghép xen viết vào [01011011] và đọc ra

[00011111].

d) Bộ ghép xen dịch vòngPhép hoán vị p của bộ ghép xen dịch vòng đƣợc định nghĩa:

P(i)= (ai+ s)mod L

Yêu cầu a < L, a gần bằng L và s < L trong đó i là chỉ số, a là kích cỡ của bƣớ c

và s là phần bù (offset). Hình 2.13 trình bày bộ ghép xen dịch vòng vớ i L = 8, a=3 và

s=0.

Hình 1.19. Bộ ghép xen d ịch vòng vớ i L=8, a=3, s=0

Từ hình trên bộ ghép xen viết vào [01101001] và đọc ra [00011110]. Việc tách bit

lân cận là 3 hay 5. Bộ ghép xen này đƣợ c đƣa ra để hoán vị các chuỗi đầu vào có tr ọng

số 2 có các tr ọng số từ mã thấ p thành các chuỗi đầu vào tr ọng số 2 có các tr ọng số từ

mã cao. Tuy nhiên, bở i vì tính quy tắc vốn có của bộ ghép xen này, sẽ khó hoán vị các

chuỗi đầu vào tr ọng số cao hơn có các tr ọng số từ mã thấ p thành các chuỗi đầu vào

khác có các tr ọng số từ mã cao.

0 1 0 1 1 0 1 1

1 3 6 8 2 7 4 5

0 0 0 1 1 1 1 1

Viết vào

Hoán vị ngẫu nhiên cố định

Đọc ra

0 1 1 0 1 0 0 1

0 3 6 1 4 7 2 5

0 0 0 1 1 1 1 0

Viết vào

Hoán vị dịch

Đọc ra

0 1 2 3 4 5 6 7Chỉ số


27/55

27

e) Bộ ghép xen chẵn lẻ

Bộ ghép xen chẵn lẻ là đặc trƣng cho mã PCCC r = 1/2. Một mã PCCC r =1/2

đƣợ c lấy bằng cách k ết hơp 2 chuỗi ngõ ra của mã PCCC r = 1/3 thành một chuỗi ngõ

ra của mã PCCC r = 1/2. Tuy nhiên, bằng cách k ết hợ p 2 chuỗi đầu ra đƣợ c mã hóanày, có thể một bit thông tin sẽ không có các bit mã hóa của nó (hoặc cả hai bit mã hóa

k ết hợ p lại cho ra sửa sai cho cùng một bit tin). Cũng có thể một bit tin có một hay cả

hai bít đƣợ c mã hóa của nó. Vì vậy, nếu một lỗi xẩy ra cho bit tin không đƣợ c bảo vệ

(không có một bit nào của nó đƣợ c mã hóa của nó), thì chất lƣợ ng của bộ bộ giải mã

TC có thể bị giảm hay BER của nó có thể tăng.

Bộ ghép xen chẵn lẻ có thể khắc phục đƣợ c vẫn đề này bằng cách cho phép mỗi bit tin có một trong các bít đƣợ c mã hóa của nó một cách chính xác. Nhƣ kết quả của

bộ ghép xen này, khả năng sửa sai của mã đƣợ c phân bố đồng nhất trên tất cả các bít

tin. Thực sự bộ ghép xen này giống nhƣ một cách cải tiến của k ỹ thuật punture.

Ví dụ bộ ghép xen chẵn lẻ sau:

Chuỗi tin x = c1 của L = 9 sau khi đi qua bộ mã hoá RSC1 thì cho ra chuỗi mã hóa

c2. Từ chuỗi c

2, chỉ có các bit mã hoá ở vị trí lẻ đƣợc lƣu trữ nhƣ trong bảng. Chỉ số

dƣớ i là vị trí bit trong chuỗi bit.

x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9

c21 - c23 - c25 - c27 - c29

Bảng 1.11. Bộ ghép xen chẵ n l ẻ vớ i L=9

Một bộ ghép xen khối 33 đƣợc dùng để hoán vị chuỗi tin tức x cho bộ mã hóaRSC2 nhƣ sau:

x1 x4 x7

x2 x5 x8

x3 x6 x9

Bảng 1.12. Bộ ghép xen khố i 3x3


28/55


29/55

29

ta thiết k ế một bộ ghép xen mớ i bằng cách k ết hợp các ƣu điểm của các bộ ghép xen

khác nhau. Các cách thiết k ế này làm tăng đáng kể chất lƣợ ng của mã TC đối vớ i từng

hệ thống cụ thể.

1.6. Giải mã Turbo

Phần này sẽ trình bầy về :

- Thuật toán giải mã MAP

- Thuật toán giải mã SOVA

- So sánh chất lƣợ ng mã PCCC vớ i các loại mã ra đời trƣớ c.

1.6.1. Tổng quan về các thuật toán giải mã

Ngoài sự k ết nối các bộ mã tích chậ p cùng việc sử dụng một thành phần đặc biệt là

các bộ ghép xen, còn một thành phần quan tr ọng khác trong chất lƣợ ng Turbo là quy

trình giải mã mềm đƣợ c thực hiện lặp đi lặ p lại và độ phức tạ p chỉ tăng tuyến tính theo

kích thƣớ c khung. Mã PCCC có cấu trúc mã hoá k ết nối song song tuy nhiên quá trình

giải mã PCCC lại dựa trên sơ đồ giải mã k ết nối nối tiế p. Mã Turbo sử dụng bộ giải mã

k ết nối nối tiếp vì sơ đồ k ết nối nối tiế p có khả năng chia sẻ thông tin giữa các bộ giải

mã k ết nối, trong khi đó các bộ giải mã có sơ đồ k ết nối song song chủ yếu giải mã độclậ p nhau. Các thông tin này nhờ đặc tính mềm, đƣợc trao đổi, khai thác nhiều lần qua

các vòng lặ p sẽ làm tăng đáng kể chất lƣợ ng giải mã.

Trong khi thực hiện một vòng lặ p giải mã các thông tin mềm đƣợc trao đổi giữa

các bộ giải mã thành phần, Forney đã chứng minh đƣợ c r ằng đầu ra mềm tối ƣu cho bộ

giải mã phải là xác suất hậu nghiệm (APP) là xác suất của một bit nào đó đƣợ c truyền

dựa trên tín hiệu nhận đƣợc. Vì độ phức tạ p của các mã TC chủ yếu là do bộ giải mã

lặp nên điều cần thiết trƣớ c nhất là tìm hiểu các thuật toán giải mã và tìm ra cách tốt

nhất để giải mã mà không làm giảm chất lƣợ ng.

Phát triển các thuật toán giải mã hiệu quả là mối quan tâm hàng đầu khi cải tiến

mã TC. Hình 1.19 trình bày cái nhìn tổng quan về các họ thuật toán giải mã dựa trên sơ

đồ trellis.


30/55

30

Hình 1.19. T ổ ng quan các thuật toán giải mã

Họ thứ nhất là họ các thuật toán MAP còn gọi là thuật toán BCJR (Bahl-Cocke-

Jelinek-Raviv, tên bốn ngƣời đã tìm ra thuật toán này). Thuật toán này liên quan đến

các thuật toán giải mã khả năng xảy ra lớ n nhất (ML) nhằm làm giảm tối đa xác suất

lỗi bit. Họ này bao gồm các thuật toán symbol-by-symbol MAP, là phƣơng pháp tối ƣu

để tính các thông tin APP, đây là thuật toán dạng tích, độ phức tạ p r ất cao. Trong họ

này còn có hai loại thuật toán làm gần đúng thuật toán MAP để tr ở thành thuật toán

dạng tổng, độ phức tạp ít hơn mà chất lƣợ ng giải mã gần nhƣ tƣơng đƣơng là Log-

MAP và phiên bản gần đúng của Log-MAP là Max-log-MAP.

Một họ thuật toán giải mã khác là một họ thuật toán dựa trên việc sửa đổi thuật

toán Viterbi (VA) có sử dụng thêm metric bổ sung vì VA truyền thống không tính các

thông tin APP, metric bổ sung làm điều đó. Họ thuật toán giải mã này bao gồm thuật

toán nổi tiếng là thuật toán Viterbi đầu ra mềm (SOVA) và thuật toán ít đƣợ c biết đến

hơn là thuật toán Viterbi đầu ra liệt kê nối tiế p (SLVA). Ngoài hai họ thuật toán giải

mã này còn có một số k ỹ thuật giải mã lặ p khác.

Tuy cùng là các thuật toán đầu ra mềm dựa trên sơ đồ trellis nhƣng khác vớ i VA là

một thuật toán giải mã trellis ML và giảm thiểu xác suất lỗi từ mã, thuật toán MAP lại

nhằm tớ i giảm tối đa xác suất lỗi bit. MAP là một phƣơng pháp tối ƣu để ƣớc đoán các

tr ạng thái và ngõ ra của các quá trình Markov trong điều kiện nhiễu tr ắng. Tuy nhiên

MAP ít khả năng đƣợ c ứng dụng thực tế bởi các khó khăn về số học liên quan đến việc

Các thuật toán giải mã dựa trên Trellis

Viterbi

Max-Log-MAP

SOVA cải tiến

SOVA

Log-MAP

MAP


31/55

31

biểu diễn xác suất, các hàm phi tuyến cùng một số các phép nhân và cộng khi tính toán

các giá tr ị này.

Log-MAP là một biến thể của MAP, chất lƣợ ng gần nhƣ tƣơng đƣơng mà không

gặ p tr ở ngại trong việc ứng dụng trong thực tế. Log-MAP đƣợ c thực hiện hoàn toàntrong miền logarit, nhờ đó phép nhân chuyển thành phép cộng và ta có đƣợ c một hàm

tƣơng đối dễ thực hiện hơn.

Max-Log-MAP và SOVA là thuật toán gần tối ƣu dùng để giảm bớt độ phức tạ p

tính toán nhƣng trong kênh nhiễu Gauss thì chất lƣợ ng hai loại này cũng không cao,

đặc biệt trong vùng SNR thấ p. Max -Log-MAP hầu nhƣ giống vớ i Log-MAP chỉ có

duy nhất một điểm khác là sử dụng một hàm đơn giản hơn rất nhiều. Các nghiên cứucho thấy Max-Log-MAP làm giảm chất lƣợ ng khoảng 0.5 dB so vớ i MAP/Log-MAP

trong kênh nhiễu Gauss.

Các khác biệt trong việc thực hiện giữa các thuật toán giải mã này có thể giúp giải

thích đƣợ c sự khác biệt về chất lƣợ ng. Tại mỗi bƣớ c thứ k trong một trellis, MAP/Log-

MAP chia tất cả các đƣờ ng ra thành hai tậ p, một tập các đƣờ ng khi bit thông tin ngõ

vào bằng 1 và một tập các đƣờ ng khi bit thông tin ngõ vào bằng 0. MAP/Log-MAP sẽ

tính tỉ số xác suất log (LLR) của hai tậ p này theo công thức. Ngƣợ c lại Max -Log-

MAP sẽ tìm trong tất cả các đƣờng để chọn các đƣờ ng thích hợ p, một đƣờ ng có khả

năng lớ n nhất cho bit thông tin ngõ vào bằng 0. Ngõ ra mềm của Max-Log-MAP là

LLR của hai đƣờ ng này.

Còn SOVA thì bổ sung vào VA một số giá tr ị thực và lƣu giữ . Thuật toán này chỉ

tìm đƣờng “tồn tại” và một đƣờ ng cạnh tranh với đƣờng “tồn tại” đó. Về bản chất,

SOVA sử dụng cùng một loại metric và có quyết định cứng nhƣ Max-log- MAP. Mặcdù, SOVA luôn tìm đƣờ ng có khả năng lớ n nhất nhƣng đƣờ ng cạnh tranh tốt nhất có

thể bị loại ra trƣớ c khi k ết hợ p với đƣờ ng ML. K ết quả là ngõ ra mềm của SOVA có

thể bị sai đƣờ ng so vớ i ngõ ra mềm của Max-Log-MAP và chất lƣợ ng của bộ giải mã

lặp SOVA kém hơn Max -Log-MAP.

Mặc dù thuật toán MAP tốt hơn thuật toán SOVA nhƣng nó có cấu trúc phần cứng

và quá trình tính toán giải mã lại phức tạp hơn nhiều.


32/55

32

1.6.2. Giải thuật MAP

Bộ giải mã là sự k ết hợ p của nhiều bộ giải mã (thƣờ ng là hai bộ giải mã) và giải

mã lặ p (interatively). Phần lớ n tậ p trung ở giải thuật Viterbi cung cấ p giá tr ị ra mềm

(soft output or reliability information) cho một bộ so sánh giá tr ị ra mềm đƣợc dùng để quyết định bit đầu ra. Một giải thuật khác cũng đƣợ c quan tâm là symbolby- symbol

Maximum A Posteriori (MAP) của Balh đƣợ c công bố.

Hình 1.20. Bộ giải mã l ặ p MAP

Giải thuật giải mã đƣợ c thực hiện nhƣ sau:

Tách tín hiệu nhận ra thành 2 chuỗi tƣơng ứng cho bộ giải mã 1 và bộ giả mã 2 .

Ở vòng lặp đầu tiên, thông tin tiền nghiệm của bộ giải mã 1 đƣợc đƣa về 0. Sau

khi bộ giải mã 1 đƣa ra đƣợ c thông tin ngoại lai thì sẽ đƣợc ghép xen và đƣa tớ i bộ giải

mã 2 đóng vai trò là thông tin tiền nghiệm của bộ giải mã này. Bộ giải mã 2 sau khiđƣa ra thông tin ngoại lai thì vòng lặ p k ết thúc. Thông tin ngoại lai của bộ giải mã thứ

2 sẽ đƣợ c giải ghép xen và đƣa về bộ giải mã 1 nhƣ là thông tin tiền nghiệm.

Quá trình giải mã giải mã cứ lặ p lại nhƣ vậy cho đến khi thực hiện đủ số lần lặp đã

qui định.

Sau vòng lặ p cuối cùng, giá tr ị ƣớc đoán có đƣợ c tính bằng cách giải ghép xen

thông tin ở bộ giải mã thứ 2 và đƣa ra quyết định cứng.

Hard

decision

Deinter

Deinter.

Inter.

Inter.DEC1 DEC2 I ;c )( 1

I ;c )( 2

I ;c )( 1

I ;c )( 2

)O;u( Ak 1 )u( k e1 )u( k e2

)O;u( Ak 2

)(1 k a u )u( k e2


33/55

33

1.6.3. Nguyên lý của bộ giải mã viterbi đầu ra mềm

Đối vớ i các mã tích chậ p thì thuật toán Viterbi cho ra chuỗi đầu ra ML. Còn đối

vớ i các mã Turbo, chúng ta gặ p hai tr ở ngại khi sử dụng các bộ giải mã Viterbi thông

thƣờ ng. Thứ nhất, bộ giải mã Viterbi bên trong cho ra một loạt lỗi bit làm giảm đi việcthực hiện của các bộ giải mã Viterbi bên ngoài. Thứ hai, bộ giải mã Viterbi bên trong

cho ra các đầu ra quyết định cứng làm ngăn chặn bộ giải mã Viterbi bên ngoài nhận

đƣợ c các lợi điểm của các quyết định mềm. Cả hai tr ở ngại này có thể đƣợ c khắc phục

và việc thực hiện giải mã có thể đƣợ c cải tiến một cách đáng kể nếu các bộ giải mã

Viterbi có thể cho ra các giá tr ị tin cậy. Các giá tr ị tin cậy này đi qua các bộ giải mã

Viterbi tiếp sau đó và đƣợc xem nhƣ là một thông tin ƣu tiên nhằm để cải tiến việc

thực hiện giải mã. Bộ giải mã Viterbi bổ sung này đƣợ c tham khảo nhƣ là bộ giải mã

thuật toán Viterbi đầu ra mềm (SOVA).

Hình 1.21. Bộ giải mã SOVA k ế t nố i

Trong hình trên y biểu diễn các giá tr ị kênh nhận đƣợ c, u biểu diễn các giá tr ị đầu

ra quyết định cứng, L biểu diễn các giá tr ị tin cậy liên k ết.

Sơ đồ khối của bộ giải mã SOVA

Bộ giải mã SOVA có thể đƣợ c thực hiện theo nhiều cách khác nhau. Nhƣng có lẽ

theo khuynh hƣớ ng tính toán thì dễ dàng thực hiện bộ giải mã SOVA cho các mã có

chiều dài bắt buộc K lớ n và kích cỡ khung dài bở i vì sự cần thiết cậ p nhật tất cả các

đƣờ ng sống sót. Do thủ tục cậ p nhật chỉ có ý nghĩa cho đƣờ ng ML, nên việc thực hiện

của bộ giải mã SOVA chỉ thực hiện thủ tục cậ p nhật đối với đƣờng ML đƣợ c trình bày

trong hình 1.23.


34/55

34

Hình 1.22. Sơ đồ khố i bộ giải mã SOVA

Bộ giải mã SOVA lấy ngõ vào là L(u) và Lcy, là giá tr ị tin cậy và giá tr ị nhận

đƣợc đã qua cân bằng tƣơng ứng, và cho ra u’ và L(u’), tƣơng ứng là các quyết định bit

ƣớc đoán và các thông tin a posteriori L(u’). Việc thực hiện bộ giải mã SOVA này bao

gồm hai bộ giải mã SOVA riêng biệt. Bộ giải mã SOVA đầu tiên chỉ tính các metric

của đƣờ ng ML và không tính (giữ lại) các giá tr ị tin cậy. Các thanh ghi dịch đƣợ c sử

dụng để đệm cho các ngõ vào trong khi bộ giải mã SOVA đầu tiên đang xử lý đƣờ ng

ML. Bộ giải mã SOVA thứ hai (có thông tin đƣờ ng ML) tính lại đƣờng ML và cũng

tính và cậ p nhật các giá tr ị tin cậy. Ta thấy r ằng phƣơng pháp thực hiện này làm giảmđộ phức tạ p trong tiến trình cậ p nhật. Thay vì truy ngƣợ c và cậ p nhật 2m đƣờ ng sống

sót, thì chỉ có m đƣờ ng ML cần đƣợ c xử lý.

Một sơ đồ chi tiết của một bộ giải mã SOVA lặp đƣợ c trình bày ở hình 1.24.

Hình 1.24. Bộ giải mã SOVA l ặ p


35/55

35

Bộ giải mã xử lý các bit kênh nhận đƣợ c trên một khung cơ bản. Nhƣ đƣợ c trình

bày trong hình 1.24, các bit kênh nhận đƣợ c tách thành dòng bit hệ thống y1 và hai

dòng bit parity y2 và y3 từ các bộ mã hóa 1 và 2 tƣơng ứng. Các bit này đƣợ c cân bằng

bở i giá tr ị tin cậy kênh và đƣợ c lấy ra qua các thanh ghi CS. Các thanh ghi trình bàytrong hình đƣợ c sử dụng nhƣ các bộ đệm để lƣu trữ các chuỗi cho đến khi chúng ta

cần. Các khóa chuyển đƣợc đặt ở vị trí mở nhằm ngăn ngừa các bit từ các khung k ế

tiếp đợ i xử lý cho đến khi khung hiện hành đƣợ c xử lý xong.

Bộ giải mã thành phần SOVA cho ra thông tin a posteriori L(ut ’) và bit đƣợc ƣớ c

đoán ut’ (ở thời điểm t). Thông tin a posteriori L(ut’) đƣợ c phân tích thành 3 số hạng:

L(u’t)=L(ut) + Lcyt,1 + Le(ut’) (1.6)- L(ut) là giá tr ị tiề n nghiệmvà đƣợ c sinh ra bở i bộ giải mã thành phần SOVA

trƣớc đó.

- Lcyt,1 là giá tr ị kênh hệ thống nhận đƣợc đã qua cân bằng.

- Le(ut’) là giá tr ị ngoại laiđƣợ c sinh ra bở i bộ giải mã thành phần SOVA

hiện tại. Tin tức đi xuyên qua giữa các bộ giải mã thành phần SOVA là giá

tr ị ngoại lai.

Le(ut’)=L(u’t) – Lcyt,1 – L(ut) (1.7)

Giá tr ị tiền nghiệmL(ut) đƣợ c tr ừ đi từ số bị tr ừ là thông tin a osteriori L(ut’) để

ngăn ngừa tin tức đi ngƣợ c lại bộ giải mã mà từ đó sinh ra nó. Cũng vậy, giá tr ị kênh

hệ thống nhận đƣợc đã qua cân bằng Lcyt,1 đƣợ c tr ừ đi nhằm để xóa tin tức “thông

thƣờng” trong các bộ giải mã thành phần SOVA. Hình 1.24 trình bày bộ giải mã mã

PCCC là sự k ết nối theo thứ tự vòng kín của các bộ giải mã thành phần SOVA. Trong

sơ đồ giải mã vòng kín này, mỗi một bộ giải mã thành phần SOVA ƣớc đoán chuỗi tin

bằng cách sử dụng dòng bit parity đã qua cân bằng. Hơn nữa, bộ giải mã PCCC thực

hiện giải mã lặ p nhằm cho ra các ƣớc đoán tiền nghiệm độ tin cậy đáng tin tƣởng hơn

từ 2 dòng bit parity đã qua cân bằng khác nhau, vớ i hy vọng thực hiện giải mã tốt hơn.

Thuật toán mã Turbo lặ p vớ i lần lặ p thứ n nhƣ sau:

Bộ giải mã SOVA1 có ngõ vào là chuỗi Lcy1(hệ thống), Lcy2 (parity), và cho ra

chuỗi Le2(u’). Đối vớ i lần lặp đầu tiên, chuỗi Le2(u’)=0 bở i vì không có giá tr ị tiề n


36/55

36

nghiệm(không có giá tr ị ngoại laitừ SOVA2). Thông tin ngoại laitừ SOVA1 đƣợ c tính

bằng

Le1(u’)= L1(u’) - Le2(u’)- Lcy1 (1.8)

Trong đó:

1.rate N

E Lc

o

b

4

2. Các chuỗi Lcy1 và Le1(u’) đƣợ c ghép xen là I{(Lcy1)} và I{Le1(u’)}.

Bộ giải mã SOVA2 có ngõ vào là các chuỗi Lcy1 (hệ thống), và I(Lcy3)(parity đã

đƣợ c ghép xen ở bộ giải mã) và I{Le1(u’)} (thông tin a priori) và cho ra các chuỗi

I{L2(u’)} và I{u’} .

Thông tin ngoại laitừ SOVA2 đƣợ c lấy là:

I{Le2(u’)} = I{L2(u’)} - I{Le1(u’)} - I(Lcy1)

Các chuỗi I{Le2(u’)} vàI{u’} đƣợ c giải ghép xen và là Le2(u’) và u’.

Le2(u’) đƣợ c hồi tiế p về SOVA1 nhƣ là thông tin tiề n nghiệmcho lần lặ p k ế tiế p và

u’ là ngõ ra của các bit đƣợc ƣớc đoán cho lần lặ p thứ n.

K ết luận

K ết quả nghiên cứu đƣợ c của chƣơng I :

Tìm hiểu đƣợ c về 2 loại mã kênh cơ bản là mã khối và mã chậ p trong hệ thống

thông tin số.

Tìm hiểu đƣợ c cấu trúc mã Turbo tổng quát và bộ mã Turbo điển hình PCCC là

sự ghép nối của hai hay nhiều bộ mã RSC có k ết hợ p k ỹ thuật ghép xen.

Tìm hiểu đƣợ c 2 thuật toán giải mã Turbo là SOVA và Logmap.


37/55

37

CHƢƠNG II

MÃ TURBO TRONG HỆ THỐNG W-CDMA

2.1. Công nghệ W - CDMA

WCDMA (Wideband CDMA) là một công nghệ phát triển của GSM để tăng

tốc độ truyền nhận dữ liệu bằng cách sử dụng k ỹ thuật CDMA hoạt động ở băng r ộng

thay thế cho TDMA. Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ thứ ba thì

WCDMA nhận đƣợ c sự ủng hộ lớ n nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớ p vật lý trong

việc hỗ tr ợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bít thấ p và trung

bình.

Một số đặc điểm của W - CDMA:

- Là hệ thống đa truy nhậ p phân chia theo mã tr ải phổ tr ực tiế p, có tốc độ bit

cao (lên đến 2 Mbps).

- Tốc độ chip 3,84 Mcps vớ i độ r ộng sóng mang 5 MHz, do đó hỗ tr ợ tốc

độ dữ liệu cao đem lại nhiều lợ i ích nhƣ độ lợ i đa phân tậ p.

- Hỗ tr ợ tốc độ ngƣờ i sử dụng thay đổi liên tục. Mỗi ngƣờ i sử dụng đƣợ c

cung cấ p một khung, trong khung đó tốc độ dữ liệu giữ cố định nhƣng tốcđộ có thể thay đổi từ khung này đến khung khác.

- Hỗ tr ợ hai mô hình vô tuyến FDD và TDD. Trong mô hình FDD sóng

mang 5 Mhz sử dụng cho đƣờ ng lên và đƣờ ng xuống, còn trong mô hình

TDD sóng mang 5 Mhz chia sẻ theo thờ i gian giữa đƣờ ng lên và đƣờ ng

xuống.

- WCDMA hỗ tr ợ hoạt động không đồng bộ của các tr ạm gốc, do đó dễ

dàng phát triển các tr ạm gốc vừa và nhỏ.

- WCDMA sử dụng tách sóng có tham chiếu đến sóng mang dựa trên

kênh hoa tiêu, do đó có thể nâng cao dung lƣợ ng và vùng phủ.

- WCDMA đƣợ c thiết k ế tƣơng thích vớ i GSM để mở r ộng vùng phủ

sóng và dung lƣợ ng của mạng.

- Lớ p vật lý mềm dẻo dễ tích hợ p đƣợ c tất cả thông tin trên một sóng

mang.


38/55

38

- Hệ số tái sử dụng bằng 1.

- Hỗ tr ợ phân tậ p phát và các cấu trúc thu tiên tiến.

2.2. Kiến trúc cho công nghệ WCDMA theo 3GPP

Để xây dựng tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 các tổ chức quốc

tế sau đây đƣợc hình thành dƣớ i sự điều hành chung của ITU:

a) 3GPP (3rd Generation Partnership Project): Đề án của các đối tác thế hệ ba).

Bao gồm các thành viên sau:

- ETSI ở châu Âu.

- TTA ở Hàn Quốc.

-

ARIB, TTC ở Nhật.

- T1P1: Mỹ

b) 3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2: Đề án của các đối tác thế hệ ba

thứ hai). Bao gồm các thành viên sau:

- TIA, T1P1: Mỹ

- TTA: Hàn Quốc

-

ARIB,TTC: Nhật

Hiện nay hai tiêu chuẩn đã đƣợ c chấ p thuận cho IMT-2000 là:

W-CDMA đƣợ c xây dựng từ 3GPP.

cdma2000 đƣợ c xây dựng từ 3GPP2.

Mạng di động thế hệ 3 đƣợ c xây dựng theo các phát hành chính đƣợ c gọi là R3,

R4, R5 và R6. Trong đó R3 và R4 có mạng lõi bao gồm hai miền chuyển mạch:

Miền CS (Circuit Switch: Chuyển mạch kênh) và PS (Packet Switch: Chuyển

mạch gói). Việc k ết hợ p này phù hợ p vớ i giai đoạn đầu khi PS chƣa đáp ứng tốt các

dịch vụ thờ i gian thực nhƣ thoại và hình ảnh. Khi đó miền CS sẽ thực hiện các dịch vụ

thoại, còn các dịch vụ số liệu đƣợ c truyền trên miền PS. R4 phát triển hơn R3 ở chỗ

CS chuyển sang chuyển mạch mềm, vì thế toàn bộ mạng truyền tải giữa các nút chuyển

mạch đều trên IP.

Lịch trình nghiên cứu trong 3GPP:


39/55

39

- Phát hành 1999 (R3) tháng 12/1999.

- Phát hành 4 (R4) tháng 03/2001.

- Phát hành 5 (R5) tháng 02/2001.

-

Phát hành 6 (R6) tháng 12/2004.

Trong báo cáo chỉ trình bầy cụ thể kiến trúc của hệ thống W - CDMA R3. Đây là

kiến trúc mạng 3G sử dụng công nghệ W - CDMA trong 3GPP năm 1999, tậ p tiêu

chuẩn đầu tiên cho hệ thống UMTS.

Hình 2.1. Kiế n trúc mạng 3G trong 3GPP phát hành năm 1999

Mạng UMTS R3 có hỗ tr ợ cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Tốc độ

thông tin lên tớ i 384 Kbps trong miền chuyển mạch kênh và 2 Mbps trong miền

chuyển mạch gói. Các k ết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấ p một tậ p các dịch vụ

mớ i cho ngƣờ i sử dụng di động gồm: Điện thoại có hình (hội nghị Video) âm thanh

chất lƣợ ng cao (CD) và tốc độ truyền cao tại đầu cuối.

Mạng UMTS R3 gồm ba phần chính đó là: Thiết bị di động (UE: User

Equipment), mạng truy nhậ p vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial

Radio Network) và mạng lõi (CN: Core Network).


40/55

40

2.2.1. Thiết bị ngƣời sử dụng

Thiết bị ngƣờ i sử dụng (UE): Là đầu cuối mạng UMTS của ngƣờ i sử dụng. là

phần có nhiều thiết bị nhất và sự phát triển của nó sẽ ảnh hƣở ng lớ n lên các ứng dụng

và các dịch vụ khả dụng.

- Thi ế t b ị đầu cu ố i (TE: Terminal Equipment): Trong mạng 3G, thiết bị

đầu cuối không đơ n thuần dành cho điện thoại mà còn cung cấ p dịch vụ số

liệu mớ i.

- Thi ế t b ị di động (ME: Mobile Equipment): Là đầu cuối vô tuyến để giao

tiế p vớ i mạng qua đƣờ ng vô tuyến.

-

Module nh ận d ạng thuêbao UMTS (USIM: UMTS Subcriber IdentityModule Là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng thuê bao. USIM

chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng, nhận thực thuê bao và có thể

giữ các khóa nhận thực cùng một số thông tin thuê bao cần thiết cho thiết

bị đầu cuối. Ngƣờ i sử dụng phải tự mình nhận thực đối vớ i USIM bằng

cách nhậ p mã PIN. Điều này đảm bảo r ằng chỉ ngƣờ i sử dụng đích thực

mớ i đƣợ c truy nhạ p UMTS, và mạng cũng chỉ cung cấ p dịch vụ cho ngƣờ i

nào sử dụng đầu cuối dựa trên nhận dạng USIM đƣợ c đăng ký.

2.2.2. Mạng truy nhập vô tuyến UMTS

Mạng truy nhậ p vô tuyến UMTS ( UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access

Netwok): Là mạng liên k ết giữa ngƣờ i sử dụng và mạng lõi. Nó bao gồm một hay

nhiều hệ thống con mạng vô tuyến RNS (Radio Network Subsystem), trong một RNS

gồm một RNC và gồm một hay nhiều nút B (node B).

UTRAN đƣợ c định nghĩa giữa hai giao diện: Giao diện Iu giữa UTRAN và

mạng lõi (CN) gồm hai phần là IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền

chuyển mạch kênh và giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị ngƣờ i dùng (UE).

Các đặc tính chính của UTRAN:

- Hỗ tr ợ UTRAN và tất cả các chức năng liên quan. Đặc biệt là các ảnh

hƣở ng chính lên việc thiết k ế là yêu cầu hỗ tr ợ chuyển giao mềm (một đầu


41/55

41

cuối k ết nối qua hai hay nhiều ô tích cực) và các thuật toán quản lý tài

nguyên đặc thù WCDMA.

- Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và

chuyển mạch gói bằng một ngăn xế p giao thức giao diện vô tuyến duy nhấtvà bằng cách sử dụng một giao diện để k ết nối từ UTRAN đến cả hai vùng

PS và CS của mạng lõi.

- Đảm bảo tính chung nhất vớ i GSM khi cần thiết.

- Sử dụng truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN.

Hai thành phần của UTRAN là bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) và node

B.

2.2.3. Bộ điều khiển mạng vô tuyến

Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC: Radio Network Controller): Là một phần tử

mạng, chịu tránh nhiệm cho một hay nhiều tr ạm gốc và điều khiển tài nguyên cho

chúng. Đây cũng chính là điểm truy nhậ p dịch vụ mà UTRAN cung cấ p cho mạng lõi

(CN). Nó đƣợ c nối đến CN bằng hai k ết nối, một cho miền chuyển mạch gói đến

SGSN và một đến chuyển mạch kênh đến MSC.

Các chức năng chính của RNC:

- Điều khiển tài nguyên vô tuyến

- Cấ p phát kênh

- Thiết lậ p điều khiển công suất

- Điều khiển công suất vòng hở

- Điều khiển chuyển giao

- Phân tậ p Macro

- Mật mã hóa

- Báo hiệu quảng bá


42/55

42

2.2.4. Node B

Trong hệ thống UMTS, tr ạm gốc đƣợ c gọi là node B và nhiệm vụ của nó là thực

hiện k ết nối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối vớ i nó. Nó nhận tín hiệu trên giao diện Iub

từ RNC và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu. Nó cũng thực hiệnmột số thao tác quản lý tài nguyên vô tuyến cơ sở nhƣ “điều khiển công suất vòng

trong”. Tính năng này là để phòng ngừa vấn đề gần xa, nghĩa là khi tất các đầu cuối

đều phát cùng một công suất, thì các đầu cuối gần node B nhất sẽ che lấ p tín hiệu từ

các đầu cuối ở xa. Node B kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối khác nhau và

thông báo cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho node B luôn thu

đƣợ c công suất nhƣ nhau tại tất cả các đầu cuối.

2.2.5. Mạng lõi

Mạng lõi CN (Core Network) của hệ thống UMTS chia thành hai phần: Chuyển

mạch kênh và chuyển mạch gói. Thành phần chuyển mạch gói gồm những nút hỗ tr ợ

dịch vụ GPRS (SGSN: Serving GPRS Support Node) và cổng hỗ tr ợ dịch vụ GPRS

(GGSN: Gateway GPRS Support Node). Thành phần chuyển mạch kênh là MSC và

GMCS. Một số thành phần của mạng nhƣ HLR và AuC đƣợ c chia sẻ cho cả hai phần.

Cấu trúc của mạng lõi có thể đƣợ c thay đổi khi c

127918321-nghien-cuu-ma-turbo-141108110236-conversion-gate02

Documents