MỤC LỤC

MỤC LỤC ............................................................................................................. 1 MỤC LỤC HÌNH ................................................................................................... 2 MỤC LỤC BẢNG .................................................................................................. 3 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................. 4 CHƢƠNG I ............................................................................................................ 6 TỔNG QUAN VỀ MÃ TURBO .............................................................................. 6

1.1. Mã kênh trong thông tin số ........................................................................... 6 1.1.1. Mã khối .............................................................................................. 7 1.1.2. Mã chập ............................................................................................ 10

1.2. Sự kết nối mã và ra đời của mã Turbo (TURBO CODE) .............................. 16 1.3. Bộ mã hóa tích chập hệ thống đệ quy RSC .................................................. 17

1.3.1. Mã tích chập 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 chập 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. Kỹ 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

Kết luận ........................................................................................................... 36 CHƢƠNG II ........................................................................................................ 37 MÃ TURBO TRONG HỆ THỐNG 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 ngƣời sử dụng ....................................................................... 40 2.2.2. Mạng truy nhập 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. Kết thúc trạng thái của mã Turbo ....................................................... 46

CHƢƠNG III ....................................................................................................... 47 MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG MÃ TURBO ....................................... 47

3.1. Chƣơng trình mô phỏng hệ thống W – CDMA ............................................ 47 3.2. Kết quả mô phỏng theo tỉ lệ giữa BER và Eb/ N0 với ma trận sinh G(13, 15). 48

KẾT LUẬN.......................................................................................................... 53

2

MỤC LỤC HÌNH

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

Hình 1.2. Sơ đồ tạo mã chập ....................................................................................... 10

Hình 1.3. Bộ tạo mã chập ............................................................................................. 11

Hình 1.4. Mã chập (2,1,3) ............................................................................................. 13

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

Hình 1.6. Sơ đồ hình lƣới bộ mã chập (2,1,3) và bộ phát mã (7,5). ............................. 15

Hình 1.7. Sơ đồ trạng thái của bộ mã chập (2,1,3) ....................................................... 15

Hình 1.8. Mã kết nối nối tiếp ........................................................................................ 16

Hình 1.9. Mã kết nối song song .................................................................................... 16

Hình 1.10. Bộ mã hóa tích chập hệ thống .................................................................... 17

Hình 1.11. Bộ mã tích chập không hệ thống ................................................................ 18

Hình 1.13. Bộ mã hoá RSC với 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 chập hệ thống đệ quy .................. 21

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

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

Bảng 1.10. Các giá trị x1 đến x15 đƣợc đọc ra theo đƣờng 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 với 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 lặp MAP ................................................................................... 32

Hình 1.21. Bộ giải mã SOVA kết nối ........................................................................... 33

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

Hình 1.24. Bộ giải mã SOVA lặp ................................................................................. 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 trạng thái (K=4) ....................................... 45

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

3

MỤC LỤC BẢNG

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

Bảng 1.3 Bảng trạng 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 đƣợc viết vào theo ma trận......................................... 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 với L=9 ..................................................................... 27

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

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

4

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AuC Authentication Center Trung tâm nhận thực

BER 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

Eb/N0 Energy of a Bits/Noise

Năng lƣợng bít/ Mật độ công suất tạp

âm

EIR Equipment Identity Register Bộ nhận dạng thiết bị

GGSN Gateway GPRS Support Node cổng hỗ trợ dịch vụ GPRS

GMSC 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

IMEI

International Mobile Equipment

Identity

Số nhận dạng thiết bị di động

quốc tế

IMSI

International Mobile Subsscriber

Identity

Số nhận dạng thuê bao di động

quốc 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

PCCC

Parallel Concatenated Convolutional

Code 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

RSC

Recursive Systematic Convolutional

Code Mã chập hệ thống đệ quy

SCCC

Serial Concatenated Convolutional

Code Mã chập kết nối nối tiếp

SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS

SISO 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 cuối

UE User Equipment Thiết bị thuê bao

5

UMTS

Universal Mobile Telecommunication

System

Hệ thống viễn thông di động toàn

cầu

USIM UMTS Subcriber Identity Module Module nhận dạng thuê bao UMTS

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Network

mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

UMTS

VA Viterbi Algorithm Thuật toán Viterbi

VLR Visitor Location Register Thanh ghi định vị tạm trú

WCDMA Wideband –CDMA CDMA băng rộng

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 đƣợc một phƣơng pháp mã hoá tiếp cận đƣợc gần tới

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

kết hợp giữa mã hoá với ghép xen ở phía phát và giải mã lặp ở phía thu đã cho những

kết quả bất ngờ. Tuy nhiên, cơ sở lý thuyết cho mã Turbo vẫn chƣa đƣợc 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 kết nối các mã và sự ra đời của mã Turbo (TC).

- Giới thiệu về mã chập 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 đƣợc 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 dạng sóng

Mã đối cực

Mã trực giao

Mã lƣới

Mã tín hiệu đa mức

Mã khối

Mã chập

Mã liên kết

7

Mã khối là bộ mã không nhớ (chuỗi bit nhận đƣợc 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

ngƣợc với mã khối là mã chập, đây là bộ mã có nhớ (chuỗi bit nhận đƣợc 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 trƣớc đó). Mã liên kết là sự kết hợp của hai bộ mã vòng trong và vòng

ngoài đƣợc phân biệt bởi bộ xáo trộn.

Năm 1967, Forney đƣa 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 đƣa ra bộ mã Turbo có cấu

trúc gồm hai bộ mã chập kết nối song song thông qua xáo trộn. Năm 1996, Benedetto đƣa

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 lƣợng tiến tới giới hạn Shannon.

Bộ mã Turbo là một bộ mã có nhớ, có cấu trúc gồm hai bộ mã chập liên kết song

song PCCC thông qua xáo trộn 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 cập tới bộ mã khối (block code), bộ mã chập (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 đƣợc 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 đƣợc gọi là bộ mã khối nhị

phân, bộ mã này thƣờng đƣợc sử dụng vì có độ phức tạp vừa phải. Trong mã khối (n,

k) nhị phân, có 2k bản tin có độ dài k bit đầu vào khác nhau đƣợc bộ mã khối sắp xếp

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 đƣợc 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 đƣợc tạo ra từ một tập k các véc tơ độc lập tuyến tính

8

dài n là g0, g1,..., gk-1. Các từ mã nhận đƣợc là tổ hợp tuyến tính của k véc tơ này. Do

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

v = c0.g0 + c1.g1 + ...+ ck-1.gk-1 với phép cộng modul-2 theo từng phần tử.

Nếu sắp xếp k véc tơ đó theo hàng trong ma trận k n sau:

Với gi, j = 0 hoặc 1 thì G đƣợc gọi là ma trận sinh của mã (ma trận tạo mã).

Từ mã v ứng với bản tin c đƣợc biểu diễn là:

v = c.G = c0.g0 + c1.g1 +... + ck-1.gk-1.

Ví dụ 1.1: Cho mã khối tuyến tính (6, 3) với ma trận 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 với các bản tin đầu vào trong ví

dụ 1.1 đƣợc liệt kê trong bảng 1.1.

Các bản tin

(c0, c1, c2)

Các từ mã

(v0, v1, v2, v3, v4,

v5)

9

(000)

(100)

(010)

(110)

(001)

(101)

(011)

(111)

(000000)

(011100)

(101010)

(110110)

(110001)

(101101)

(011011)

(000111)

Bảng 1.1. Mã khối tuyến 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 tiếp theo là bản tin có độ dài k chữ số (chính là

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

m· Tõ

tin nB¶tra kiÓmChuçi

tin nB¶

110110110 ,,,,,,,,,, kknk cccvvvccc

Ma trận 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 trận đơn vị k k.

Từ ví dụ 1.1 trên ta có:

kk IP

g

g

g

100011

010101

001110

3

1

0

G (1. 2)

b) Khoảng cách cực tiểu của mã khối

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

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

khác “0” (với mã nhị phân là tổng các bit “1”) trong từ mã. Mỗi từ mã có một trọng số

xác định, tập hợp tất cả các trọng số của các từ mã trong bộ mã lập thành phân bố

trọng số của bộ mã. Khi tập M = 2k từ mã có trọng số bằng nhau thì bộ mã đó đƣợc gọi

là bộ mã có trọng số không đổi hay bộ mã có trọng số cố định.

10

Khoảng cách Hamming giữa hai từ mã v và u đƣợc ký hiệu là dv,u, với v u, n

dv,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 của

hai từ mã đó.

Khoảng cách Hamming cực tiểu hay còn gọi là khoảng cách cực tiểu của bộ mã,

ký hiệu là dmin, 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

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

quan trọng 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) Giới thiệu mã chập

Mã chập là một loại mã sửa lỗi trong đó mỗi ký hiệu k bit (chuỗi k bit) đƣợc mã

hóa 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 hợp của

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

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

Hình 1.2. Sơ đồ tạo mã chập

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 trạng thái trong bộ đệm là 2k(N-1)

.

N đƣợc gọi là độ dài ràng buộc của mã chập. Bộ tạo mã chập hữu hạn trạng thái

gồm M tầng thanh ghi có các đƣờng cố định trƣớc với n bộ cộng modul 2 và bộ hợp

kênh 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

)(

Nk

Ln

Lr , khi L >> N

Độ dài ràng buộc là số dịch mà qua đó một bit đơn (một nhóm bit) có thể ảnh

hƣởng lên đầu ra. Trƣờng hợp dịch 1 bit, thanh ghi dịch có M tầng nên N = M + 1 là

độ dài ràng buộc.

Ví dụ 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 tạo mã chập

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 gj (1 ≤ j ≤ kN, 1 ≤ i ≤

n) sẽ là 1 nếu thành phần của thanh ghi đƣợc nối đến bộ tổ hợp ở lối ra ở lối ra i, sẽ là

0 nếu không đƣợc nối.

g(i)

(D) = g0(i)

+ g1(i)

D + g2(i)

D2 +… + gN

(i)D

N (1.4)

Trong đó: D là phần tử trễ.

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

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 + D

3 và g

(2) = 1 + D + D

3 .

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

M(D) = 1 + D3+ D

4

Tƣơng tự nhƣ biến đổi fourier, phép nhân tích chập 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+ D

3)(1 + D

3 + D

4) = 1 + D

2 + D

4+ D

5+ D

7

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 + D

3 + D

4) = 1 + D + D

5+ D

6 + D

7

Hay lối ra 2 là 11000111.

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

c = (11, 01, 10, 00, 10, 11, 01, 11).

Với bản tin L = 5 tạo dãy mã dài n(L + N – 1) = 16 bit.

Để thanh ghi trở về trạng 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

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

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

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

Hình 1.4. Mã chập (2,1,3)

Sơ đồ hình cây

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

đều là trạng thái “toàn 0”. Nếu bit vào đầu tiên là bit “0” thì đầu ra ta nhận đƣợc chuỗi

“00”, còn nếu bit vào đầu tiên là bit “1” thì đầu ra ta nhận đƣợc 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 chập

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

bộ mã, nhánh đi xuống biểu hiện cho bit 1 đƣợc 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 đƣợc tuyến mã, từ đó ta nhận đƣợc dãy các chuỗi đầu ra.

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 lƣới

Do đặc tính của bộ mã chập, cấu trúc vòng lặp đƣợc 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 rằng tại tầng thứ 3, cứ mỗi

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

đƣợc dịch vào bộ mã là bit 0 hay bit 1. Với tính chất đó ta có thể biểu diễn mã chập

bằng sơ đồ có dạng hình lƣới gọn hơn, trong đó các đƣờng liền nét đƣợc ký hiệu cho

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

(xem hình 1.6). Ta thấy rằng từ sau tầng thứ hai hoạt động của lƣới ổn định, tại mỗi

nút có hai đƣờng vào nút và hai đƣờng ra khỏi nút. Trong hai đƣờng đi ra thì một ứng

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

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 lưới bộ mã chập (2,1,3) và bộ phát mã (7,5).

Sơ đồ trạng thái

Sơ đồ trạng thái đƣợc thực hiện bằng cách đơn giản sơ đồ 4 trạng thái có thể có

của bộ mã (00, 01, 10 và 11) và trạng thái chuyển tiếp có thể đƣợc tạo ra từ trạng thái

này chuyển sang trạng thái khác, quá trình chuyển tiếp 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 trạng thái của bộ mã 00, 01, 10, 11

Kết quả ta thu đƣợc sơ đồ trạng thái trong hình 1.7 nhƣ sau:

Hình 1.7. Sơ đồ trạng thái của bộ mã chập (2,1,3)

16

Từ sơ đồ trạng thái hình 1.7, các đƣờng liền nét đƣợc ký hiệu cho bit đầu vào là bit

“0” và đƣờng đứt nét đƣợc ký hiệu cho các bit đầu vào là bit “1”. So với sơ đồ hình

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

1.2. Sự kết nối mã và ra đời của mã Turbo (TURBO CODE)

Mã Turbo là sự kết 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 đƣợc Forney nghiên cứu để tạo ra

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

trong khi độ phức tạp giải mã chỉ tăng theo hàm đại số. Mô hình này bao gồm sự kết

nối nối tiếp một bộ mã trong và một bộ mã ngoài.

Forney đã sử dụng một bộ mã khối ngắn hoặc một bộ mã tích chập với giải thuật

giải mã Viterbi xác suất lớn nhất làm bộ mã trong và một bộ mã Reed-Salomon dài

không nhị phân tốc độ cao với 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 lợi mã lớn. Có hai kiểu

kết nối cơ bản là kết nối nối tiếp (hình 1.8) và kết nối song song ( hình 1.9).

Hình 1.8. Mã kết nối nối tiếp

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

Đối với mã kết nối nối tiếp, tốc độ mã hoá: Rnt=k1k2/n1n2.

Đối với mã song song, tốc độ mã hoá là: Rss=k/(n1+n2).

Hình 1.9. Mã kết nối song song

Trên chỉ là các mô hình kết 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 1

r = k1/n1

Bộ mã hoá 2

r = k2/n2

Ngõ vào

Ngõ ra

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 bƣớc tiến vƣợt bậc trong nghiên cứu mã sửa sai. Loại mã mà họ giới

thiệu thực hiện trong khoảng 0.7dB so với giới hạn của Shannon cho kênh AWGN.

Loại mã này đƣợc gọi là mã Turbo, thực chất là sự kết nối song song các bộ mã tích

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

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

Ngoài ra cũng có “kết nối nối tiếp các mã tích chập (Serial Concatenated

Convolutional Code_SCCC)” và dạng “kết nối hỗn hợp 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 chập hệ thống đệ

quy (Recursive Systematic Convolutional Code_RSC ).

1.3.1. Mã tích chập hệ thống và không hệ thống

Mã tích chập có tính hệ thống là mã tích chập mà có một phần tử mã ở đầu ra

chính 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 chập hệ thống nhƣ hình 1.10.

Hình 1.10. Bộ mã hóa tích chập hệ thống

Đối với mã chập hệ thống thì ta có thể dễ dàng xác định từ mã ở đầu ra hơn so với

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

phức tạp hơn so với mã không hệ thống.

18

Mã chập không hệ thống có từ mã đầu ra không phản ánh đƣợc dãy tin ở đầu vào,

tức là đầu ra của bộ mã không nối trực tiếp đến dãy tin đầu vào. Sơ đồ của bộ mã chập

không hệ thống nhƣ hình 1.11.

Hình 1.11. Bộ mã tích chập không hệ thống

1.3.2. Mã tích chập đệ quy và không đệ quy

Mã tích chập đệ quy có từ mã ở đầu ra đƣợc đƣa hồi tiếp trở 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 tiếp

trở 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

n: số đầu ra

N: chiều dài constraint lengths (số ngăn lớn 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 đƣợc biểu diễn qua các chuỗi g1 = [1 1 1] và

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

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

(biểu diễn bởi g1) đƣợc hồi tiếp 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 với r=1/2 k=1

Một bộ mã hoá tích chập đệ quy có khuynh hƣớng cho ra các từ mã có trọng số

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

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

Đối với 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 cứng và quyết định mềm

Chuỗi tin sau khi truyền qua kênh truyền và đƣợc 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 đƣợc 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 đƣờng

D

+

+

x

c2

c1

+ D

g1

g2

20

dây là bipolar NRZ với biên độ là 1V. Nếu giá trị nhận đƣợc là 0,8V hoặc 0,03V thì

đều đƣợc quyết định là bit 1. Còn nếu giá trị nhận đƣợc là -0,7V hoặc -0,02 thì đều

đƣợc 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 đƣợc bít 1 trong khi giá trị 0,8V

có 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 lƣợng của bộ giải mã không chỉ phụ thuộc vào bộ giải mã mà còn phụ thuộc vào

bộ giải điều chế và chất lƣợng 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 trị lấy mẫu nhận đƣợc 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 với cấu trúc phù hợp 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 trị để xét độ tin cậy của

từng giá trị và cuối cùng mới quyết định. Điều này sẽ làm giảm khả năng có thể xẩy ra

lỗi và độ lợi mã tổng cộng có thể tăng 2,5 dB so với giải mã cứng đối với môi trƣờng

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

tạp cao hơn rất nhiều so với 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 kết nối song song của hai hay nhiều mã RSC. Thông thƣờng ngƣời

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 đƣợc 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 trở đi, chuỗi bit nhận vào để mã hoá trƣớc hết phải qua một bộ ghép

xen. Tất cả các chuỗi mã hoá ngõ ra sẽ đƣợc hợp lại thành một chuỗi bit duy nhất n bit

trƣớc khi truyền .

21

Hình 1.14. Bộ mã hoá PCCC tổng quát

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

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

và sẽ đƣợc 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 lớn 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 trễ tăng lên. Theo khuyến cáo của các tổ chức định chuẩn thì giá trị r chỉ nên nhỏ

nhất là 1/6 .

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

dùng một kỹ thuật khá mới mẻ đó là kỹ thuật puncturing.

Một mã Turbo tiêu biểu là loại đƣợc kết nối theo kiểu PCCC. Sơ đồ khối đƣợc

biểu diễn trong hình 1.15.

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

c3

Bộ mã hoá

RSC1

Bộ mã hoá

RSC2

Bộ ghép

x c2

c1

22

Bộ mã hoá Turbo cơ bản đƣợc thiết kế bằng cách kết nối song song hai bộ mã hoá

hệ thống đệ quy tích chập lại với nhau, hai bộ mã hoá thành phần đƣợc phân cách nhau

bởi 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 đƣợc 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

Kỹ thuật punturing là kỹ 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 thấp thì chất lƣợng càng

cao nhƣng băng thông tăng. Ví dụ bộ mã tốc độ 1/3 có thể trở 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 kỹ 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 c2 và c3

sẽ đƣợc lấy xen kẽ. 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 đƣợc 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 lƣợng.

1.5.3. Bộ ghép xen (interleaver)

Đối với mã Turbo, có thể có một hay nhiều bộ ghép xen đƣợc sử dụng giữa các bộ

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

tất cả các chuỗi đầu vào có trọng số thấp thành chuỗi ra có từ mã đầu ra trọng số cao

hay ngƣợc lại. Luôn đảm bảo với một chuỗi đầu vào thì đầu ra một bộ mã hoá sẽ cho

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

cách tự do tối thiểu.

Bộ ghép xen không những đƣợc sử dụng tại bộ mã hoá mà nó cùng với bộ giải

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

23

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

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

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

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

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

1.16.

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

chập đệ quy có trọng số thấp c2. Để tránh bộ mã hoá RSC2 cho ra chuỗi đầu ra đệ quy

khác cũng có trọng số thấp, bộ ghép xen hoán vị chuỗi đầu vào x thành 1 chuỗi mới

với hi vọng cho ra chuỗi mã tích chập đệ quy có trọng số cao c3. Vì vậy, trọng số mã

của mã PCCC là vừa phải, nó đƣợc kết hợp từ mã trọng số thấp của bộ mã hoá 1 và

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

Hình 1.17. Ví dụ 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 kết

quả của các từ mã và trọng số của các từ mã.

c2 Mã trọng số thấp

Mã trọng số cao

Mã hệ thống Bộ mã hoá RSC 1

Bộ mã hoá RSC 2 Bộ ghép xen

x c1

c3

24

Chuỗi ngõ vào

xi

Chuỗi ngõ ra

C1i

Chuỗi ngõ ra

C2i

Trọng 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 trọng 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 hƣởng trực tiếp đến đặc

tính khoảng cách của mã. Bằng cách tránh các từ mã có trọng số thấp, BER của mã

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

thiết kế. Phần sau đây trình bày các bộ ghép xen tiêu biểu thƣờng sử dụng trong việc

thiết kế mã Turbo.

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

Bộ ghép xen ma trận là bộ ghép xen thƣờng đƣợc sử dụng nhất trong các hệ thống

liên lạc. Nó viết vào theo cột từ trên xuống dƣới, từ trái sang phải và đọc ra theo hàng

từ trái sang phải và từ trên xuống dƣới. 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

x5 x11 x17

x6 x12 x18

Bảng 1.7. Chuỗi vào x1 đến x18 được viết vào theo ma trận

Với chuỗi vào (x1, x2, x3, ……… x17, x18 ) dùng ma trận bộ ghép xen 63 ở trên

thì chuỗi ra là:

x1 x7 x13 x2 x8 x14 … … x12 x18

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

b) Bộ ghép xen helical

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

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

Ví dụ : Các giá trị đọc vào nhƣ bảng sau:

x1 X6 x11

x2 X7 x12

x3 X8 x13

x4 X9 x14

x5 X10 x15

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

Các giá trị đọc ra là:

X5 X9 X13 X3 X7 X11 X1 X10 X14 … X15

Bảng 1.10. Các giá trị x1 đến x15 được đọc ra theo đường 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 sắp xếp 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 với L = 8.

26

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

Bộ ghép xen giả ngẫu nhiên sử dụng tính ngẫu nhiên cố định và sắp xếp 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 vòng

Phép 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 bƣớc

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

s=0.

Hình 1.19. Bộ ghép xen dịch vòng với 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 đƣợc đƣa ra để hoán vị các chuỗi đầu vào có trọng

số 2 có các trọng số từ mã thấp thành các chuỗi đầu vào trọng số 2 có các trọng số từ

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

chuỗi đầu vào trọng số cao hơn có các trọng số từ mã thấp thành các chuỗi đầu vào

khác có các trọng 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

vòng

Đọc ra

0 1 2 3 4 5 6 7 Chỉ số

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

đƣợc lấy bằng cách kết 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 kết hợp 2 chuỗi đầu ra đƣợc mã hóa

này, có thể một bit thông tin sẽ không có các bit mã hóa của nó (hoặc cả hai bit mã hóa

kết hợp lại cho ra sửa sai cho cùng một bit tin). Cũng có thể một bit tin có một hay cả

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

(không có một bit nào của nó đƣợc mã hóa của nó), thì chất lƣợng 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 đƣợc vẫn đề này bằng cách cho phép mỗi

bit tin có một trong các bít đƣợc mã hóa của nó một cách chính xác. Nhƣ kết quả của

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

tin. Thực sự bộ ghép xen này giống nhƣ một cách cải tiến của kỹ 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 c2, chỉ có các bit mã hoá ở vị trí lẻ đƣợc lƣu trữ nhƣ trong bảng. Chỉ số

dƣới 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 chẵn lẻ với L=9

Một bộ ghép xen khối 33 đƣợc dùng để hoán vị chuỗi tin tức x cho bộ mã hóa

RSC2 nhƣ sau:

x1 x4 x7

x2 x5 x8

x3 x6 x9

Bảng 1.12. Bộ ghép xen khối 3x3

28

Chuỗi tin tức x đƣợc viết theo cột và đọc ra theo hàng. Chuỗi tin đƣợc hoán vị cho

ra chuỗi mã hóa c3. Từ chuỗi c3 chỉ có các bit mã hoá vị trí chẵn đƣợc lƣu trữ nhƣ

trong bảng dƣới.

Các bit mã hóa chẵn của chuỗi c3 đƣợc lƣu trữ với chuỗi tin hoán vị x

x1 x4 x7 x2 x5 x8 x3 x6 x9

- c34 - c32 - c38 - c36 -

Bảng 1.13. Các bit chẵn của chuỗi c3 được lưu trữ với chuỗi tin x

Đối với mã hoá PCCC r = 1/2, các chuỗi bit mã hoá sau đó phải đƣợc ghép với

nhau nhƣ trong bảng sau:

x1 x4 x7 x2 x5 x8 x3 x6 x9

c21 c34 c27 c32 c25 c38 c23 c36 c29

Bảng 1.14. Chuỗi tin x và chuỗi mã hóa được ghép

Từ bảng trên ta thấy mỗi bit tin có bit mã hóa riêng của nó.

f) Bộ ghép xen khung

Nếu bộ ghép xen simile cần sử dụng thêm tail bit để lái cả hai bộ mã hoá đến cùng

một trạng thái thì bộ ghép xen khung lại không cần tail bit. Mỗi một bộ RSC do tính

hồi quy của nó có thể đặc trƣng bằng một đa thức sinh chu kỳ L. Trong trƣờng hợp này

N bit thông tin sau khi đƣợc ghép xen sẽ đƣợc lƣu hai lần trong bộ nhớ kích thƣớc 2N

tại những địa chỉ mà việc đọc chúng ra sau này bị ngăn cách bằng một khoảng thời

gian bằng với số nguyên lần của L. Bằng cách này, nếu bộ mã hóa bắt đầu bằng một

trạng thái zero thì sẽ kết thúc tại một trạng thái zero mà không cần thêm bất kỳ một

đuôi bit nào.

Kết luận:

Trên đây liệt kê một số các kiểu ghép xen đƣợc sử dụng trong mã TC. Với cùng

một chuỗi tin đầu vào, có thể đối với bộ ghép xen này sẽ cho ra các từ mã có trọng số

cao nhƣng với bộ ghép xen kiểu khác lại cho ra các từ mã có trọng số thấp hơn. Trong

thực tế để có BER thấp ngƣời ta không sử dụng thuần tuý một kiểu ghép xen mà ngƣời

29

ta thiết kế một bộ ghép xen mới bằng cách kết hợp các ƣu điểm của các bộ ghép xen

khác nhau. Các cách thiết kế này làm tăng đáng kể chất lƣợng của mã TC đối với 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 lƣợng mã PCCC với các loại mã ra đời trƣớc.

1.6.1. Tổng quan về các thuật toán giải mã

Ngoài sự kết nối các bộ mã tích chập cùng việc sử dụng một thành phần đặc biệt là

các bộ ghép xen, còn một thành phần quan trọng khác trong chất lƣợng Turbo là quy

trình giải mã mềm đƣợc thực hiện lặp đi lặp lại và độ phức tạp chỉ tăng tuyến tính theo

kích thƣớc khung. Mã PCCC có cấu trúc mã hoá kết nối song song tuy nhiên quá trình

giải mã PCCC lại dựa trên sơ đồ giải mã kết nối nối tiếp. Mã Turbo sử dụng bộ giải mã

kết nối nối tiếp vì sơ đồ kết nối nối tiếp có khả năng chia sẻ thông tin giữa các bộ giải

mã kết nối, trong khi đó các bộ giải mã có sơ đồ kết nối song song chủ yếu giải mã độc

lập nhau. Các thông tin này nhờ đặc tính mềm, đƣợc trao đổi, khai thác nhiều lần qua

các vòng lặp sẽ làm tăng đáng kể chất lƣợng giải mã.

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

các bộ giải mã thành phần, Forney đã chứng minh đƣợc rằng đầu ra mềm tối ƣu cho bộ

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

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

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

nhất để giải mã mà không làm giảm chất lƣợng.

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

Hình 1.19. Tổng 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 lớn 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 tạp rất cao. Trong họ

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

dạng tổng, độ phức tạp ít hơn mà chất lƣợng 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 đƣợc biết đến

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

mã này còn có một số kỹ thuật giải mã lặp khác.

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

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

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

trạng thái và ngõ ra của các quá trình Markov trong điều kiện nhiễu trắng. Tuy nhiên

MAP ít khả năng đƣợc 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

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

các giá trị này.

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

gặp trở ngại trong việc ứng dụng trong thực tế. Log-MAP đƣợc thực hiện hoàn toàn

trong miền logarit, nhờ đó phép nhân chuyển thành phép cộng và ta có đƣợc 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 tạp

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

đặc biệt trong vùng SNR thấp. Max -Log-MAP hầu nhƣ giống với Log-MAP chỉ có

duy nhất một điểm khác là sử dụng một hàm đơn giản hơn rất nhiều. Các nghiên cứu

cho thấy Max-Log-MAP làm giảm chất lƣợng khoảng 0.5 dB so với 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 đƣợc sự khác biệt về chất lƣợng. Tại mỗi bƣớc thứ k trong một trellis, MAP/Log-

MAP chia tất cả các đƣờng ra thành hai tập, một tập các đƣờng khi bit thông tin ngõ

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

tính tỉ số xác suất log (LLR) của hai tập này theo công thức. Ngƣợc lại Max -Log-

MAP sẽ tìm trong tất cả các đƣờng để chọn các đƣờng thích hợp, một đƣờng có khả

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

LLR của hai đƣờng này.

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

tìm đƣờng “tồn tại” và một đƣờng 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. Mặc

dù, SOVA luôn tìm đƣờng có khả năng lớn nhất nhƣng đƣờng cạnh tranh tốt nhất có

thể bị loại ra trƣớc khi kết hợp với đƣờng ML. Kết quả là ngõ ra mềm của SOVA có

thể bị sai đƣờng so với ngõ ra mềm của Max-Log-MAP và chất lƣợng 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

1.6.2. Giải thuật MAP

Bộ giải mã là sự kết hợp của nhiều bộ giải mã (thƣờng là hai bộ giải mã) và giải

mã lặp (interatively). Phần lớn tập trung ở giải thuật Viterbi cung cấp giá trị ra mềm

(soft output or reliability information) cho một bộ so sánh giá trị ra mềm đƣợc dùng để

quyết định bit đầu ra. Một giải thuật khác cũng đƣợc quan tâm là symbolby- symbol

Maximum A Posteriori (MAP) của Balh đƣợc công bố.

Hình 1.20. Bộ giải mã lặp MAP

Giải thuật giải mã đƣợc 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 đƣợc thông tin ngoại lai thì sẽ đƣợc ghép xen và đƣa tới bộ giải

mã 2 đóng vai trò là thông tin tiền nghiệm của bộ giải mã này. Bộ giải mã 2 sau khi

đƣa ra thông tin ngoại lai thì vòng lặp kết thúc. Thông tin ngoại lai của bộ giải mã thứ

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

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

qui định.

Sau vòng lặp cuối cùng, giá trị ƣớc đoán có đƣợc 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(Ak1 )u( ke1

)u( ke2)O;u(A

k2

)(1 ka u )u( ke2

33

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

Đối với các mã tích chập thì thuật toán Viterbi cho ra chuỗi đầu ra ML. Còn đối

với các mã Turbo, chúng ta gặp hai trở ngại khi sử dụng các bộ giải mã Viterbi thông

thƣờng. Thứ nhất, bộ giải mã Viterbi bên trong cho ra một loạt lỗi bit làm giảm đi việc

thực 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

đƣợc các lợi điểm của các quyết định mềm. Cả hai trở ngại này có thể đƣợc khắc phục

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

Viterbi có thể cho ra các giá trị tin cậy. Các giá trị 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 đƣợc tham khảo nhƣ là bộ giải mã

thuật toán Viterbi đầu ra mềm (SOVA).

Hình 1.21. Bộ giải mã SOVA kết nối

Trong hình trên y biểu diễn các giá trị kênh nhận đƣợc, u biểu diễn các giá trị đầu

ra quyết định cứng, L biểu diễn các giá trị tin cậy liên kết.

Sơ đồ khối của bộ giải mã SOVA

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

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

chiều dài bắt buộc K lớn và kích cỡ khung dài bởi vì sự cần thiết cập nhật tất cả các

đƣờng sống sót. Do thủ tục cập nhật chỉ có ý nghĩa cho đƣờng ML, nên việc thực hiện

của bộ giải mã SOVA chỉ thực hiện thủ tục cập nhật đối với đƣờng ML đƣợc trình bày

trong hình 1.23.

34

Hình 1.22. Sơ đồ khối bộ giải mã SOVA

Bộ giải mã SOVA lấy ngõ vào là L(u) và Lcy, là giá trị tin cậy và giá trị 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 đƣờng ML và không tính (giữ lại) các giá trị tin cậy. Các thanh ghi dịch đƣợc sử

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

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

tính và cập nhật các giá trị tin cậy. Ta thấy rằng phƣơng pháp thực hiện này làm giảm

độ phức tạp trong tiến trình cập nhật. Thay vì truy ngƣợc và cập nhật 2m đƣờng sống

sót, thì chỉ có m đƣờng ML cần đƣợc xử lý.

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

Hình 1.24. Bộ giải mã SOVA lặp

35

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

bày trong hình 1.24, các bit kênh nhận đƣợc 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 đƣợc cân bằng

bởi giá trị tin cậy kênh và đƣợc lấy ra qua các thanh ghi CS. Các thanh ghi trình bày

trong hình đƣợc 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 kế

tiếp đợi xử lý cho đến khi khung hiện hành đƣợc xử lý xong.

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

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

L(u’t)=L(ut) + Lcyt,1 + Le(ut’) (1.6)

- L(ut) là giá trị tiền nghiệmvà đƣợc sinh ra bởi bộ giải mã thành phần SOVA

trƣớc đó.

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

- Le(ut’) là giá trị ngoại laiđƣợc sinh ra bởi bộ giải mã thành phần SOVA

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

trị ngoại lai.

Le(ut’)=L(u’t) – Lcyt,1 – L(ut) (1.7)

Giá trị tiền nghiệmL(ut) đƣợc trừ đi từ số bị trừ là thông tin a osteriori L(ut’) để

ngăn ngừa tin tức đi ngƣợc lại bộ giải mã mà từ đó sinh ra nó. Cũng vậy, giá trị kênh

hệ thống nhận đƣợc đã qua cân bằng Lcyt,1 đƣợc trừ 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 kết 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 lặp 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, với hy vọng thực hiện giải mã tốt hơn.

Thuật toán mã Turbo lặp với lần lặp 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 với lần lặp đầu tiên, chuỗi Le2(u’)=0 bởi vì không có giá trị tiền

36

nghiệm(không có giá trị ngoại laitừ SOVA2). Thông tin ngoại laitừ SOVA1 đƣợc tính

bằng

Le1(u’)= L1(u’) - Le2(u’)- Lcy1 (1.8)

Trong đó:

1. rateN

ELc

o

b

4

2. Các chuỗi Lcy1 và Le1(u’) đƣợc 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

đƣợc 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 đƣợc lấy là:

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

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

Le2(u’) đƣợc hồi tiếp về SOVA1 nhƣ là thông tin tiền nghiệmcho lần lặp kế tiếp và

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

Kết luận

Kết quả nghiên cứu đƣợc của chƣơng I :

Tìm hiểu đƣợc về 2 loại mã kênh cơ bản là mã khối và mã chập trong hệ thống

thông tin số.

Tìm hiểu đƣợc 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 kết hợp kỹ thuật ghép xen.

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

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 kỹ thuật CDMA hoạt động ở băng rộng

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

WCDMA nhận đƣợc sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong

việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bít thấp và trung

bình.

Một số đặc điểm của W - CDMA:

- Là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp, có tốc độ bit

cao (lên đến 2 Mbps).

- Tốc độ chip 3,84 Mcps với độ rộng sóng mang 5 MHz, do đó hỗ trợ tốc

độ dữ liệu cao đem lại nhiều lợi ích nhƣ độ lợi đa phân tập.

- Hỗ trợ tốc độ ngƣời sử dụng thay đổi liên tục. Mỗi ngƣời sử dụng đƣợc

cung cấp một khung, trong khung đó tốc độ dữ liệu giữ cố định nhƣng tốc

độ có thể thay đổi từ khung này đến khung khác.

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

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

TDD sóng mang 5 Mhz chia sẻ theo thời gian giữa đƣờng lên và đƣờng

xuống.

- WCDMA hỗ trợ hoạt động không đồng bộ của các trạm gốc, do đó dễ

dàng phát triển các trạm 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 lƣợng và vùng phủ.

- WCDMA đƣợc thiết kế tƣơng thích với GSM để mở rộng vùng phủ

sóng và dung lƣợng của mạng.

- Lớp vật lý mềm dẻo dễ tích hợp đƣợc tất cả thông tin trên một sóng

mang.

38

- Hệ số tái sử dụng bằng 1.

- Hỗ trợ phân tập 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 dƣới 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 đƣợc chấp thuận cho IMT-2000 là:

W-CDMA đƣợc xây dựng từ 3GPP.

cdma2000 đƣợc xây dựng từ 3GPP2.

Mạng di động thế hệ 3 đƣợc xây dựng theo các phát hành chính đƣợc 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 kết hợp này phù hợp với giai đoạn đầu khi PS chƣa đáp ứng tốt các

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

thoại, còn các dịch vụ số liệu đƣợc 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

- 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, tập tiêu

chuẩn đầu tiên cho hệ thống UMTS.

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

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

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

chuyển mạch gói. Các kết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấp một tập các dịch vụ

mới cho ngƣời sử dụng di động gồm: Điện thoại có hình (hội nghị Video) âm thanh

chất lƣợng 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 nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial

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

40

2.2.1. Thiết bị ngƣời sử dụng

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

phần có nhiều thiết bị nhất và sự phát triển của nó sẽ ảnh hƣởng lớn lên các ứng dụng

và các dịch vụ khả dụng.

- Thiết bị đầu cuối (TE: Terminal Equipment): Trong mạng 3G, thiết bị

đầu cuối không đơn thuần dành cho điện thoại mà còn cung cấp dịch vụ số

liệu mới.

- Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment): Là đầu cuối vô tuyến để giao

tiếp với mạng qua đƣờng vô tuyến.

- Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subcriber Identity

Module 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. Ngƣời sử dụng phải tự mình nhận thực đối với USIM bằng

cách nhập mã PIN. Điều này đảm bảo rằng chỉ ngƣời sử dụng đích thực

mới đƣợc truy nhạp UMTS, và mạng cũng chỉ cung cấp dịch vụ cho ngƣời

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

2.2.2. Mạng truy nhập vô tuyến UMTS

Mạng truy nhập vô tuyến UMTS ( UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access

Netwok): Là mạng liên kết giữa ngƣời 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 đƣợc 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 ngƣời dùng (UE).

Các đặc tính chính của UTRAN:

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

hƣởng chính lên việc thiết kế là yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm (một đầu

41

cuối kết 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 xếp giao thức giao diện vô tuyến duy nhất

và bằng cách sử dụng một giao diện để kết nối từ UTRAN đến cả hai vùng

PS và CS của mạng lõi.

- Đảm bảo tính chung nhất với 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 trạm gốc và điều khiển tài nguyên cho

chúng. Đây cũng chính là điểm truy nhập dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho mạng lõi

(CN). Nó đƣợc nối đến CN bằng hai kết 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

- Cấp phát kênh

- Thiết lập điều khiển công suất

- Điều khiển công suất vòng hở

- Điều khiển chuyển giao

- Phân tập Macro

- Mật mã hóa

- Báo hiệu quảng bá

42

2.2.4. Node B

Trong hệ thống UMTS, trạm gốc đƣợc gọi là node B và nhiệm vụ của nó là thực

hiện kết nối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với 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 hiện

một 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 lấp 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

đƣợc 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 trợ

dịch vụ GPRS (SGSN: Serving GPRS Support Node) và cổng hỗ trợ 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 đƣợc chia sẻ cho cả hai phần.

Cấu trúc của mạng lõi có thể đƣợc thay đổi khi các dịch vụ mới và các đặc điểm mới

của hệ thống đƣợc đƣa ra. Các phần tử chính trong mạng lõi:

SGSN (Serving GPRS Support Node): Là nút chính của miền chuyển mạch gói.

Nó nối đến UTRAN thông qua giao diện IuPS và đến GGSN thông qua giao diện Gn.

SGSN chịu trách nhiệm cho tất cả kết nối PS của tất cả các thuê bao. Nó lƣu hai kiểu

dữ liệu thuê bao: Thông tin đăng ký thuê bao và thông tin vị trí thuê bao.

Số liệu thuê bao lƣu trong SGSN gồm:

- IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: Số nhận dạng thuê bao

- di động quốc tế).

- Các nhận dạng tạm thời gói (P-TMSI: Packet - Temporary Mobile

- Subscriber Identity: Số nhận dạng thuê bao di động tạm thời gói).

- Các địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói).

- Số liệu vị trí lƣu trên SGSN:

43

- Vùng định tuyến thuê bao (RA: Routing Area)

- Số VLR

- Các địa chỉ GGSN của từng GGSN có kết nối tích cực

GGSN: Khi một GGSN (Gateway GPRS Support Node) kết nối với mạng số liệu

khác. Tất cả các cuộc truyền dữ liệu từ thuê bao đến các mạng ngoài đều qua GGSN.

Cũng nhƣ SGSN, nó lƣu cả hai kiểu số liệu: Thông tin thuê bao và thông tin vị trí.

Số liệu về thông tin thuê bao:

- IMSI

- Các địa chỉ PDP

Số liệu về vị trí: Địa chỉ SGSN hiện thuê bao đang nối đến.

MSC (Mobile Switching Center) thực hiện chức năng kết nối chuyển mạch kênh

giữa thiết bị đầu cuối và mạng. Nó thực hiện các chức năng báo hiệu và chuyển mạch

cho các thuê baoo trong vùng quản lý của mình. Chức năng của MSC trong

UMTS giống chức năng MSC trong GSM, nhƣng nó có nhiều chức năng hơn. Các kết

nối chuyển mạch kênh đƣợc thực hiện trên giao diện chuyển mạch kênh giữa UTRAN

và MSC. Các MSC đƣợc nối đến các mạng ngoài qua GMSC.

GMSC (Gateway MSC): chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng định tuyến

đến vùng có MS. Khi mạng ngoài tìm cách kết nối đến PLMN của một nhà khai thác

khác, GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR về MSC hiện thời quản lý

MS.

VLR (Visitor Location Register): Là bản sao của HLR, dữ liệu thuê bao cần thiết

để cung cấp các dịch vụ thuê bao đƣợc lấy từ HLR và lƣu ở đây. Cả MSC và SGSN

đều có VLR nối với chúng.

HLR (Home Location Register): Là một cơ sở dữ liệu có nhiệm vụ quản lý các

thuê bao di động. Một mạng di động có thể có nhiều HLR tùy thuộc vào số lƣợng thuê

bao, dung lƣợng của từng HLR và tổ chức bên trong mạng. HLR và AuC là hai nút

mạng logic nhƣng thƣờng đƣợc thực hiện trong cùng một nút vật lý. HLR lƣu trữ

mọi thông tin về ngƣời sử dụng và đăng lý thuê bao nhƣ: Thông tin tính cƣớc, các dịch

44

vụ nào đƣợc cung cấp và các dịch vụ nào bị từ chối, thông tin chuyển hƣớng cuộc gọi,

số lần chuyển hƣớng cuộc gọi.

Trung tâm nhận thực

Trung tâm nhận thực (AuC: Authentication Center) lƣu giữ toàn bộ số liệu cần

thiết để nhận thực, mật mã hóa và bảo vệ thông tin của ngƣời dùng. Nó liên kết với

HLR và đƣợc hiện cùng với một nút vật lý.

Bộ nhận dạng thiết bị

Bộ nhận dạng thiết bị (EIR: Equipment Identity Register) chịu trách nhiệm lƣu

các số nhận dạng thiết bị di động quốc tế (IMEI: International Mobile

Equipment Identity). Đây là số nhận dạng duy nhất cho thiết bị đầu cuối. Cơ sở dữ liệu

này đƣợc chia thành ba danh mục: Danh mục trắng, xám và đen. Danh mục trắng

chứa các số IMEI đƣợc phép truy nhạp mạng, danh mục xám chứa IMEI của các đầu

cuối đang bị theo dõi còn danh mục đen chứa các số IMEI của các đầu cuối bị cấm

truy nhập mạng. Danh mục nay cũng có thể đƣợc sử dụng để cấm các seri máy đặc

biệt không đƣợc truy nhập mạng khi chúng không hoạt động theo tiêu chuẩn.

Các giao diện vô tuyến

- Giao diện Cu: Là giao diện chuẩn cho các card thông minh. Trong UE

đây là giao diện kết nối giữa USIM và UE.

- Giao diện Uu: Là giao diện vô tuyến mà UE truy nhập vào phần cố định

của mạng. Giao diện này nằm giữa nút B và thiết bị đầu cuối.

- Giao diện Iu: Là giao diện kết nối UTRAN và CN. Một CN có thể kết

nối với nhiều UTRAN, nhƣng với mỗi UTRAN thì chỉ có thể kết nối với

- một điểm truy nhập CN.

- Giao diện Iur: Đây là giao diện giữa RNC với RNC. Giao diện này có

các tính năng cơ bản sau:

Di động giữa các RNC.

Lƣu thông kênh riêng.

Lƣu thông kênh chung.

Quản lý tài nguyên toàn cục.

45

- Giao diện Iub: Giao diện Iub nối nút B với RNC. UMTS là hệ thống điện

thoại di động đầu tiên tiến hành chuẩn hóa giao tiếp mở rộng giữa trạm điều

khiển và trạm gốc. Giao diện này tạo điều kiện cạnh tranh cho các nhà sản xuất

thiết bị.

2.3. Mã hoá Turbo trong W-CDMA

2.3.1. Bộ mã hoá Turbo

Đối với các dịch vụ số liệu đòi hỏi chất lƣợng dịch vụ nằm trong khoảng (10-3

, 10-

6) BER thì bộ mã hóa Turbo với cách ghép 2 bộ mã chập song song PCCC (Parallel

Concatenated Convolutional Code) 8 trạng thái đƣợc sử dụng.

Hàm truyền đạt của bộ mã Turbo thành phần 8 trạng thái là:

G(D) = 1,( )

( )

n D

d D

(2.1)

Trong đó: d(D) = 1+D2+D

3, n(D) = 1+D+D

3

Sơ đồ khối của bộ mã hóa Turbo trong trƣờng hợp này đƣợc cho ở hình 3.10.

Bé x¸o trén trong m· Turbo

X(t)

X(t)

Y(t)

X’(t)

Y’(t)

Bé m· ho¸ thµnh phÇn thø nhÊt

Bé m· ho¸ thµnh phÇn thø hai

Hình 2.2. Cấu trúc của bộ mã hoá Turbo 8 trạng thái (K=4)

Giá trị khởi đầu các thanh ghi dịch của bộ mã hoá Turbo là "toàn 0". Đầu ra của bộ

mã hoá Turbo đƣợc trích bỏ để tạo ra các bit tƣơng ứng với tỷ lệ mã cần thiết. Đối với

mã có tỷ lệ 1/3, các bit chẵn lẻ và hệ thống không bị trích bỏ và chuỗi đầu ra là:

KKK YYXYYXYYX ' , , ,,' , , ,' , , 222111

46

2.3.2. Kết thúc trạng thái của mã Turbo

Để kết thúc trạng thái của lƣới trong khi giải mã thì đƣợc thực hiện bằng cách lấy

các bit đuôi từ mạch hồi tiếp thanh ghi dịch sau khi tất cả các bit thông tin đã đƣợc mã

hoá. Các bit đuôi đƣợc đƣa thêm vào sau khi mã hoá các bit thông tin.

Ba bit đuôi đầu tiên sẽ đƣợc sử dụng để kết thúc bộ mã hoá thành phần thứ nhất

(lúc đó vị trí đảo mạch phía trên trong hình 2.2 đƣợc bật xuống) trong khi đó bộ mã

hoá thành phần thứ hai không đƣợc phép (bị cấm). Ba bit đuôi cuối cùng sẽ đƣợc sử

dụng để kết thúc bộ mã hoá thành phần thứ hai (lúc đó vị trí đảo mạch phía dƣới trong

hình 2.2 đƣợc bật xuống) trong khi đó bộ mã hoá thành phần thứ nhất không đƣợc

phép (bị cấm).

Các bit đƣợc phát đi cho việc kết thúc trạng thái lƣới có dạng sau:

332211332211 ' ,' ,' ,' ,' ,' , , , , , , KKKKKKKKKKKK YXYXYXYXYXYX

Kết luận:

Kết quả nghiên cứu chƣơng II:

Tìm hiểu đƣợc một số đặc điểm của hệ thống W - CDMA và cơ bản kiến trúc

hệ thống W – CDMA.

Tìm hiểu đƣợc trong hệ thống W – CDMA sử dụng mã Turbo với ma trận sinh

là g(13,15) cùng sơ đồ mã hóa.

47

CHƢƠNG III

MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG MÃ TURBO

3.1. Chƣơng trình mô phỏng hệ thống W – CDMA

Để đánh giá chất lƣợng mã Turbo trong hệ thống thông tin di động thế hệ 3 ( W

– CDMA) ta dùng phƣơng pháp mô phỏng. Chƣơng trình mô phỏng hệ thống thông

tin di động thế hệ 3 W – CDMA đã đƣợc xây dựng chuẩn trong thƣ viện Simulink của

phần mềm Matlab – Simulink phiên bản 6.5 và 7.01 đang có hiện nay. Nhƣng, trong

các phần mềm Matlab – Simulink này ngƣời ta chƣa đƣa mã Turbo và hệ thống W –

CDMA mà chỉ xây dựng hệ thống cho hai trƣờng hợp không sử dụng mã kênh và có

sử dụng mã kênh là mã chập ( Convoluotional). Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống W –

CDMA sử dụng mã Turbo đƣợc đƣa ra trong hình 3.1. Trong đó, ta mã hóa Turbo cho

chỉ hai kênh: Kênh lƣu lƣợng dành riêng ( DTCH)và kênh điều khiển giành

riêng(DCCH).

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

48

Sau đây là kết quả mô phỏng việc sử dụng mã chập và không sử dụng mã chập

trong hệ thông W – CDMA.

Hình 3.2. Chất lượng hệ thống thông tin di động W- CDMA khi sử dụng mã chập và không

mã.

3.2. Kết quả mô phỏng theo tỉ lệ giữa BER và Eb/ N0 với ma trận sinh G(13, 15).

Chƣơng trình chính

Để chạy chƣơng trình ta vào file: mophong.m để nhập các thông số đầu vào,

nhƣ:

+ Chọn thuật toán: hàm Ttgiaima = 0 là ta chọn thuật toán Log-Map.

hàm Ttgiaima = 1 là ta chọn thuật toán SOVA.

+ Chọn kích thƣớc khung bằng hàm L_f = ? bao gồm thông tin và bit đuôi.

+ Chọn ma trận sinh: ta mặc định ma trận sinh g = [1 1 0 1; 1 1 1 1].

+ Chọn dùng kỹ thuật xoá hay là không:

Hàm kt_xoa = 0 là dùng kỹ thuật xoá

49

Hàm kt_xoa = 1 là không dùng kỹ thuật xoá.

+ Chọn số lần lặp của mỗi khung bằng hàm: lan_lap = ?

+ Nhập số khung bị lỗi để kết thúc chƣơng trình bằng hàm: ket_thuc = ?

+ Nhập giá trị Eb/N0 bằng hàm: EbN0db = ?

50

Lưu đồ thuật toán

Start

Mã hóa

Cộng nhiễu Gauss

Giải mã Turbo

Đếm lỗi

Số khung lỗi = thiết lập

Chọn thuật toán giải mã, thiết lập ma trận sinh, số khung lỗi, chọn

kỹ thuật xóa, chọn số lần lặp

Sai

Hiển thị kết quả

Đúng

51

3.3. Kết quả mô phỏng

3.3.1. Kết quả mô phỏng chất lƣợng hệ thống thông tin di động W – CDMA sử

dụng mã Turbo với các lần lặp khác nhau.

Cụ thể trong trƣờng hợp này là 9, 6 và 3 lần lặp với cùng một thuật toán giải mã

SOVA.

Hình 3.3. Chất lượng mã Turbo với các lần lặp khác nhau

Từ kết quả mô phỏng ta thấy bộ mã hóa có BER giảm khi tỷ số Eb/N0 tăng. Khi

Eb/N0 nhỏ hơn 1dB thì bộ mã hóa có BER gần nhƣ không thay đổi. Khi Eb/N0 lớn hơn

1dB thì ta thấy bộ giải mã Turbo có số lần lặp lớn sẽ cho ta kết quả lỗi BER thấp hơn,

tức là bộ mã hóa có số lần lặp lớn hơn sẽ có hiệu quả hơn.

52

3.3.2. Kết quả mô phỏng chất lƣợng hệ thống thông tin di động W – CDMA sử

dụng mã Turbo với các thuật toán giải mã khác nhau

Có nhiều thuật toán giải mã Turbo nhƣng trong phần mô phỏng này, chỉ thực

hiện mô phỏng 2 loại thuật toán giải mã SOVA và Logmap. Kết quả mô phỏng nhƣ

sau:

Hình 3.4. Chất lượng mã Turbo với 2 thuật toán giải mã khác nhau

Theo nhƣ kết quả lý thuyết thì thuật toán giải mã SOVA tốt hơn thuật toán giải

mã Logmap. Kết quả mô phỏng cũng chứng tỏ điều đó. Với cùng giá trị Eb/N0 thì

thuật toán SOVA cho kết quả BER thấp hơn hẳn so với thuật toán Logmap.

Kết luận:

Trong chƣơng này đã nghiên cứu đƣợc những vấn đề nhƣ sau:

Mô phỏng và đánh giá hiệu năng của hệ thống W – CDMA khi sử dụng

mã hóa chập và không sử dụng.

Mô phỏng và đánh giá hiệu năng mã Turbo sử dụng trong hệ thống W –

CDMA với hai thuật toán giải mã khác nhau là SOVA và LogMap.

Mô phỏng và đánh giá hiệu năng mã Turbo với các lần lặp giải mã khác

nhau.

53

KẾT LUẬN

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 W-CDMA đã và đang đƣợc triển khai tại

nhiều nƣớc trên thế giới. Để đảm bảo hệ thống truyền dẫn vô tuyến có độ tin cậy cao

và đạt đƣợc tốc độ nhƣ mong muốn thì mã Turbo đã đƣợc khuyến nghị sử dụng trong

hệ thống này. Lớp mã này thực sự là một bằng chứng sống động về thực tế chứng

minh tính đúng đắn của hai định lý thông tin nổi tiếng đã đƣợc Shannon dự đoán từ

năm 1948. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các kênh thông tin đặc thù bị ràng

buộc cả về mặt công suất cũng nhƣ băng thông, mà kênh thông tin di động thế hệ chỉ

là một trƣờng hợp cụ thể.

Trƣớc mã Turbo, chƣa có một sơ đồ điều chế hay kỹ thuật mã hoá nào mới lại

cho phép cải thiện công suất lớn cỡ hàng chục dB nhƣ mã Turbo. Vì vậy song song

với phát triển các phân tích có tính lý thuyết, hàng loạt công trình đã đổ dồn trọng tâm

nghiên cứu vào các khía cạnh thực tiễn để nhanh chóng có thể thƣơng mại hóa ngay

các hệ thống thông tin mới có sử dụng mã hóaTurbo.

Không chỉ có vậy mã Turbo còn làm sống lại nguyên lý xử lý lặp vốn bị bỏ

quên cùng với mã Gallagher trong một thời gian rất dài kể từ năm 1962 tới tận năm

1993. Đối với giới nghiên cứu lý thuyết thông tin, đây mới là thành tựu lớn nhất của

mã Turbo vì nguyên lý xử lý lặp quả thực lỡ một công cụ rất mạnh trong việc phân

tích và thiết kế hệ thống thông tin. Không chỉ dừng lại ở ngành mã sửa sai, nguyên lý

xử lý lặp còn vƣơn sang và trở thành một phƣơng pháp luận mới ở các lĩnh vực khác

nhƣ dự đoán vỡ cân bằng kênh, tách sóng đa truy nhập, mã hoá nguồn/kênh kết hợp,

phân tập dạng Turbo... Chắc chắn mô hình thông tin tƣơng lai sẽ sử dụng các cấu trúc

tiên tiến này vì nó cho phép có sự gắn kết chặt chẽ giữa các yếu tố cấu thành hệ thống

nhờ liên tục trao đổi, lọc thông tin theo các vòng phản hồi kín.

Đề tài này tập trung tìm hiểu về hệ thống thông tin di động thế hệ 3 W-

CDMA, cấu trúc mã kênh trong hệ thống và cấu trúc của mã Turbo để từ đó tìm hiểu

về mô hình mô phỏng hệ thống W-CDMA trong MATLAB. Kết quả mô phỏng trong

chƣơng 3 đã cho thấy Mã Turbo đạt đƣợc chất lƣợng tốt tại BER thấp và trong các

thuật toán giải mã Turbo (SOVA, Log-MAP,) đƣợc xây dựng thì thuật toán giải mã

SOVA có chất lƣợng tốt hơn cả. Khi sử dụng thuật toán SOVA với số lƣợng các lần

54

lặp khác nhau thì kết quả mô phỏng cũng cho thấy khi số lần lặp tăng lên thì chất

lƣợng hệ thống cũng tăng song độ trễ giải mã lại lớn. Từ đó ta có thể kết luận rằng khi

áp dụng mã Turbo trong hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (W-CDMA) thì chất

lƣợng kênh truyền đã đƣợc cải thiện đáng kể, nhƣng để đảm bảo cả về tốc độ và chất

lƣợng hệ thống thì số lần lặp giải mã chỉ giới hạn từ 4-6 lần.

Qua đây, một lần nữa em xin cảm ơn thầy giáo Đỗ Huy Khôi đã hƣớng dẫn và

giúp đỡ em hoàn thành nghiên cứu này. Vì thời gian có hạn, phƣơng tiện tìm hiểu và

nghiên cứu còn thiếu thốn, cộng với kinh nghiệm và kiến thức của bản thân còn nhiều

hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em xin trân trọng tiếp thu những ý

kiến đóng góp của các thầy cô giáo cùng các bạn để bài báo cáo của em hoàn chỉnh

và đầy đủ hơn.

55

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Matthew C. Valenti, “Turbo Codes and Iterative Processing”, Mobile and

Portable Radio Reseach Group Virginia Polytechnic Institute and State

University Blacksburg, 1999.

2. Jakob Dahl Andersen, “A Turbo Tutorial”, Department of Telecommunication

Technical University of Denmark, 2005.

3. “Giáo trình thông tin di động”, Học viện bƣu chính viễn thông cơ sở 2, TP Hồ Chí

Minh.

4. Nguyễn Thuý Vân, “Lý thuyết mã”, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật Hà Nội, 1999.

5. KS. Nguyễn Văn Thuận, “Hệ thống thông tin di động WCDMA”, Học viện Công

Nghệ Bƣu Chính Viễn Thông, 2004.

6. Phạm Văn Ngọc, “Bài giảng Thông tin di động”, Đại học Công Nghệ Thông Tin và

Truyền Thông, 03/2010.

7. Nguyễn Hoàng Hải - Nguyễn Khắc Kiểm - Nguyễn Trung Dũng - Hà Trần Đức,

“Lập trình Matlab”, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật, Hà Nội 2003.

8. http://vntelecom.org/.