Chương 5: Xử lý kênh vật lý và mã hóa kiểm soát lỗi 3G/4G môn Kỹ thuật thông tin vô tuyến | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

lOMoAR cPSD| 58737056 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng Chương 5
XỬ LÝ KÊNH VẬT LÝ VÀ MÃ HÓA KIỂM SOÁT LỖI TRONG CÁC HỆ
THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
5.1. GIỚI THIỆU CHUNG
5.1.1. Các chủ đề được trình bầy trong chương
• Qúa trình xử lý số trước điều chế đối với kênh truyền tải lớp vật lý của trong
các hệ thông thông tin di động
• Các dạng mã CRC áp dụng cho các hệ thống TTDĐ 3G và 4G
• Các dạng mã xoắn áp dụng cho các hệ thống TTDĐ 3G và 4G
• Các dạng mã turbo áp dụng cho các hệ thống TTDĐ 3G và 4G 5.1.2. Hướng dẫn
Học kỹ các tư liệu đựơc trình bầy trong chương
Tham khảo thêm [12],[13], .
5.1.3. Mục đích chương
• Hiểu nguyên tổng quan các công đoạn xử lý tín hiệu số trước điều chế trong
các kênh truyền tài của các hệ thống TT D Đ
• Hiểu được hoạt động của các bộ mã hóa h kiểm soát lỗi như: CRC, mã hóa
xoắn và turbo trong các hệ thống thông tin di động 3G và 4G 5.2. TỔNG QUAN
5.2.1. Xử lý kênh vật lý .
Tổng quát quá trình xử lý số cho một khối truyền tải của kênh vật lý trong
các hệ thống thông tin di động 3G và 4G được cho trên hình 5.1. Khối truyền tải
được đưa vào lớp vật lý từ các lớp trên. Trước hết nó được phân đoạn thành các khối lOMoAR cPSD| 58737056 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
con. Sau đó các khối con này được mã hóa vòng CRC để mã hóa phát hiện lỗi, được
đưa lên mã hóa xoắn hoặc turbo để mã hóa sửa lỗi, được đan xen sau đó được phối
hợp tốc độ cho phù hợp với tốc độ kênh truyền. Cuối cùng nhiều khối mã được móc nối với nhau.
Hình 5.1. Quá trình xử lý kênh truyền tải trong 3G và 4G
Trong các hệ thống thông tin di động ba dạng mã hoá kiểm soát lỗi được sử dụng cho truyền số liệu là:
Mã khối tuyến tính hay cụ thể là mã vòng Mã xoắn Mã turbo
Trong đó mã vòng được sử dụng để phát hiện lỗi, còn hai mã còn lại được
sử dụng để sửa lỗi và hai mã này thường được gọi là mã kênh. Mã turbo được sử
dụng ở các hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G) khi tốc độ bit cao và trong lOMoAR cPSD| 58737056 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
các hệ thống thông tin di động thế hệ bốn (4G) cho truyền số liệu. Trong phần này
ta sẽ xét các nguyên lý căn bản của các dạng mã trên và các sơ đồ của chúng được
áp dụng cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba và thứ bốn. Các ký hiệu ở
đây được sử dụng theo các ký hiệu được sử dụng trong các bộ tiêu chuẩn. Toán tử
trễ x trong chưng 4 sẽ được ký hiệu là D trong chương này. Trong chương này ta sẽ
sử dụng các ký hiệu sát với các ký hiệu được sử dụng trong các tiêu chuẩn cuả các
hệ thống thông tin di động.
5.2.2. Mã hóa phát hiện lỗi
Phát hiện lỗi trong hệ thống thông tin di động 3G và 4G được thực hiện trên
cơ sở kiểm tra vòng dư (CRC: Cyclic Redundance Check) là loại mã vòng. Để tính
toán CRC, ta ký hiệu a0, a1,…,aA-1 là các bit bản tin và p0, p1,…, pL-1 là các bit chẵn
lẻ. Các bit đầu ra bộ mã hóa CRC có dạng sau: (5.1)
Trong đó bit a0 ra bô mã hóa đầu tiên.
Đa thức tạo mã CRC được biểu diễn như sau: g(D)= g (5.2) 0DL+ g1DL-1+....+ gL-1D+gL
trong đó D là toán tử trễ, và g0=gL=1
Đa thức bản tin được biểu diễn như sau: a(D)= a (5.3)
0DA-1+ a1DA-2+....+ aA-2D+aA-1
trong đó bit a0 là bit vào bô tao mã đầu tiên.
Đa thức chẵn lẻ được biểu diễn như sau: p(D)= p (5.4)
0DL-1+ p1DL-2+....+ pL-2D+pL-1
Đa thức từ mã được biểu diễn như sau: b(D)= a(D)D (5.5)
L+p(D)= a0DA+L-1+ a1DA+L-2+....+aA-1DL
+ p0DL-1+ p1DL-2+....+ pL-2D+pL-1
Ta cũng có thể biểu diễn đa thức từ mã như sau : b(D)= DLa(D)+ p(D)= G(D)g(D) (5.6) lOMoAR cPSD| 58737056 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
Như vậy đa thức từ mã b(D) là một đa thức chia hết cho đa thức tạo mã g(D).
Tại phía thu để kiểm tra xem từ mã thu có mắc lỗi hay không ta có thể chia đa thức
từ mã thu được cho đa thức tạo mã, nếu phần dư bằng không nghĩa là không bị mắc lỗi.
Tính toán CRC có thể dễ ràng được thực hiện bởi một thanh ghi dịch hồi tiếp
tuyến tính (LFSR : Linear Feedback Shift Register). LFSR có thể được sử dụng làm
mạch chia đa thức. Giả thiết một LFSR L bit được cho trên hình 5.2.
Ban đầu các chuyển mạch đựơc đặt vào vị trí X. Các bit bản tin a0, a1,…,aA-1 được
đưa từng bit một vào thanh ghi dịch theo thứ tự tăng chỉ số (a0 đựơc đưa vào trước
tiên). Sau khi bit aA-1 cuối cùng được đưa vào LFSR, các chuyển mạch đựơc chuyển
vào vị trí Y. LFSR được dịch L lần để tạo ra CRC tại đầu ra.
Hình 5.2. Sử dụng LFSR để tính toán CRC
Có hai cách để máy thu đánh giá sự đúng đắn của truyền dẫn. Trong cách thứ
nhất, nó có thể tính toán CRC từ A bit đầu tiên của số liệu thu được và so sánh chúng
với L bit cuối cùng. Trong cách thứ hai (thực hiện trong thực tế), máy thu chia tất
cả A+L bit số liệu thu được (sử dụng LFSR trên hình 5.2) và kiểm tra xem phần dư
L bit (được gọi là syndrrome) có bằng không hay không. Nếu phần này bằng không
(có nghĩa là chia hết) thì có nghĩa là không mắc lỗi. lOMoAR cPSD| 58737056 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
5.2.3. Mã hóa sửa lỗi
5.2.3.1. Sơ đồ khối
Mã được sử dụng cho sửa lỗi có thể là mã xoắn hoặc mã turbo, các mã này
là các mã sửa lỗi thuận. Trong phần này ta sẽ xét mã turbo,cụ thể về mã xoắn và đan
xen sẽ được xét trong các phần sau.
Mã hóa turbo là kỹ thuật sửa lỗi thuận (mã hóa kênh) và được xây dựng dựa
trên mã xoắn móc nối song song (PCCC), nghĩa là các mã xoắn bằng cách móc nối
song song hay hay nhiều mã loại này, Sơ đồ của bộ mã hóa turbo của LTE gồm hai
bộ mã hóa thành phần 8 trạng thái và một bộ đan xen bên trong mã turbo với tỷ lệ
mã hóa bằng 1/3. Hình 5.3 cho thấy cấu trúc bộ mã hóa turbo sử dụng cho 3G
WCDMA và 4G LTE trong đó chuỗi đầu vào đựơc ký hiệu là xi.
Hàm truyền đạt của bộ mã hóa thành phần 8 trạng thái đối với PCCC là: (5.7) Trong đó
g0(D) = 1 + D2 + D3, g1(D) = 1 + D + D3. (5.8) lOMoAR cPSD| 58737056 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
Hình 5.3. Cấu trúc bộ mã hóa turbo 1/3 (đường không liên tục chỉ áp dụng
cho kết cuối lưới).
Giá trị khởi đầu của các thanh ghi dịch của các bộ mã hóa thành phần tám trạng thái
được đặt tất cả vào trạng thái không trước khi bắt đầu mã hóa các bit vào. Các bit
của khối mã đầu vào bộ mã hóa turbo K bit được ký hiệu như sau:
Xk=(x0, x1, x2, x3, …., x(K-1) (5.9)
Các bit đầu ra bộ mã hóa turbo được ký hiệu như sau: , , , (5.10)
Ngoài ra còn có thểm 12 bit đuôi được tạo ra khi chuyển mạch trên hình 5.3
được chuyển xuống phá dưới.
Hoạt động của bộ mã hóa thành phần trong bộ mã hóa turbo có thể được
hiểu bằng biểu đồ lưới bao gồm các nút trạng thái được nối với nhau bằng các nhánh lOMoAR cPSD| 58737056 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
thể hiện sự chuyển đổi trạng thái khi bit vào bằng không hoặc 1. Biểu đồ lưới cho
bộ mã hóa thành phần 8 trạng thái được cho trên hình 5.4. Các nhánh trạng thái cũng
được đánh nhãn bằng các bit đầu ra của bộ tạo mã. Trên hình này, ta có tất cả các
chuyển đổi trạng thái có thể có của bộ mã hóa. Mỗi nhánh của lưới cung cấp cho ta
ba thông tin. Đó là: các trạng thái cuả nhánh (trạng thái hiện tại và trạng thái tiếp
theo), bit số liệu đầu vào của chuyển đổi và đồng thời cũng là bit không mã hóa (xk),
các bit được mã hóa (zk/ z’k).
Di là trạng thái của phần tử nhớ i (i=0,1,2)
Hình 5.4. Biểu đồ lưới bộ mã hóa thành phần 8 trạng thái.
5.2.3.2. Kết cuối lưới
Khối turbo được kết thúc bởi kết cuối lưới và đảm bảo rằng bộ mã hóa luôn
ở trạng thái không tại cuối một khối turbo và tại đầu của khối tiếp theo. Khi hoạt
động bình thường các bit được phát theo thứ tự sau: xk, zk, , tương ứng với tỷ lệ
mã 1/3. Kết cuối lưới được thực hiện bằng cách lấy các bit đuôi từ phản hồi thanh lOMoAR cPSD| 58737056 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
ghi dịch sau khi tất cả các bit thông tin đã được mã hóa. Các bit đuôi được chèn sau
khi mã hóa các bit thông tin.
Đối với bộ mã hóa xoắn thông thường, lưới được kết cuối bằng cách chèn
các bit không bổ sung sau chuỗi đầu vào. Các bit bổ sung này sẽ chuyển bộ mã hóa
xoắn thành phần vào trạng thái tất cả bằng không (kết cuối lưới). Tuy nhiên, không
thể thực hiện kỹ thuật này cho bộ mã hóa RSC vì tồn tại hồi tiếp. Các bit kết cuối
cho bộ mã hóa RSC phụ thuộc vào trạng thái của bộ mã hóa và rất khó đoán trước.
ngoài ra thậm chí có thể tìm được các bit kết cuối cho một trong số các bộ mã hóa
thành phần, bộ mã hóa thành phần thứ hai cũng không dược chuyển vào trạng thái
tất cả bằng không với cùng các bit kết cuối. Lý do vì sự có mặt của bộ đan xen
giữa các bộ mã hóa thành phần. Cách đơn giản nhất là chuyển mạch các khóa
chuyển mạch trên hình 5.3 vào vị trí dưới. Ba bit đuôi đầu tiên sẽ được sử dụng để
kết cuối cho bộ mã hóa thành phần thứ nhất (khóa chuyển mạch phía trên trên hình
vẽ 5.3 sẽ được chuyển vào vị trí dưới) trong khi bộ mã hóa thành phần thứ hai bị
cấm. Ba bit đuôi cuối cùng sẽ được sử dụng để kết cuối cho bộ mã hóa thành phần
thứ hai (khóa chuyển mạch phía dưới trên hình vẽ 5.3 sẽ được chuyển vào vị trí
dưới) trong khi bộ mã hóa thành phần thứ nhất bị cấm. Các bit phát cho kết cuối lưới sẽ là: (5.11)
Như vậy tổng số bit ra sẽ là (K+4)/r, trong đó r=1/3 là tỷ lệ mã và 4/r=12 là
số bit kết cuối lưới. lOMoAR cPSD| 58737056 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
5.3. XỬ LÝ KÊNH VẬT LÝ MÃ HÓA KIỂM SOÁT LỖI TRONG 3G WCDMA /HSPA
5.3.1. Các mã vòng và mã xoắn
5.3.1.1. Các mã vòng
Trong các hệ thống thông tin di động mã vòng được sử dụng ở dạng CRC
để kiểm tra chất lượng khối hoặc khung. C¸c ®a thøc t¹o m· ®îc sö dông ë hÖ thèng
th«ng tin di ®«ng thÕ hÖ ba ®Ó tÝnh to¸n CRC như sau:
gCRC24(D) = D24 + D23 + D6 + D5 + D + 1 (5.11)
gCRC16(D) = D16 + D12 + D5 + 1 (5.12)
gCRC12(D) = D12 + D11 + D3 + D2 + D + 1 (5.13)
gCRC8(D) = D8 + D7 + D4 + D3 + D + 1 (5.14)
Hình 5.5 cho thấy sơ đồ tính toán CRC (các bit chỉ thị chất lượng khung) cho mã
vòng được tạo bởi đa thức tạo mã gCRC16(D) = D16 + D12 + D5 + 1
Hình 5.5. Sơ đồ tính toán CRC (các bit chỉ thị cất lượng khung) cho mã
vòng (CRC) được tạo bởi đa thức tạo mã gCRC16(D) = D16 + D12 + D5 + 1
Từ hình 5.5 ta thấy bộ tạo mã gồm thanh ghi dịch chứa nhiều phần tử nhớ có
mạch hồi tiếp với các mạch cộng modul-2. Cộng modul hai được thực hiện ở các
điểm tương ứng với các hệ số trong đa thức khác không: các hệ số của D0, D5, D12 và D16. lOMoAR cPSD| 58737056 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
Các bit chỉ thị chất lượng khung (CRC) được tính toán ở hình 5.5 theo thủ tục các bước sau:
Đầu tiên tất cả các phần tử của thanh ghi dịch được đặt vào mức logic
1 và các khoá ở vị trí trên.
Số lần dịch bit và thanh ghi dịch bằng số bit thông tin ở khung với các
bit thông tin là các bit vào.
Các khoá chuyển vào vị trí dưới để đầu ra là cộng modul-2 với '0' và
các đầu vào tiếp theo của thanh ghi dịch là '0'.
Thanh ghi dịch được dịch số lần bằng số bit của chỉ thị chất lượng khung (16).
Các bit bổ sung này sẽ là các bit chỉ thị chất lượng khung.
5.3.1.2. Các mã xoắn
C¸c ®a thøc t¹o m· ®îc sö dông cho các bộ mã hóa xoắn biểu diễn trong hệ cơ số
tám (Octal) trong 3G WCDMA như sau:
Bé m· xo¾n r=1/2, K=9, g0 = [561]OCT , g1 = [753] (5.15)
Bé m· xo¾n r=1/3, K=9, g0 = [557], g1 = [663], g2 = [711] (5.16)
Trong đó: gi=[ABC]OCT biểu thị cho các đầu vào nào của phần tử nhớ trong thanh
ghi dịch của bộ tạo mã hóa xoắn sẽ đựơc đối với bộ cộng nhánh i (i=0/1). Chằng
hạn g0=[561] biểu thị trong cơ số hai sẽ là g0=[101110001] có nghĩa là trong sơ đồ
cuả bộ mã hóa xoắn bộ cộng tại nhánh trên (nhánh 0) sẽ được nối đến các phần tử
thanh ghi có vị trí tương ứng với giá trị bằng 1 như sau: 1, 3,4,5 và 9 (hình 5.6)
Hình 5.6 cho thấy sơ đồ nguyên lý của các bộ mã hóa xoắn theo các phương trình (5.15) và (5.16). lOMoAR cPSD| 58737056 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
Hình 5.6. Mã hoá xoắn ở W-CDMA
5.3.2. Mã hoá turbo và đan xen
5.3.2.1. Hàm truyền đạt
Đối với các dịch vụ số liệu đòi hỏi chất lượng dịch vụ nằm trong khoảng 10-
3 và 10-6 BER , mã xoắn móc nối song song PCCC (parallel concatenated
convolutional code) với các bộ mã hoá thành phần 8 trạng thái được sử dụng. Hàm
truyền đạt của bộ mã thành phần 8 trạng thái cho PCCC là: (5.18)
Trong đó g0(D) = 1 + D2 + D3, g1(D) = 1 + D + D3. (5.19)
Sơ đồ của bộ mã hóa turbo trong trường hợp này được cho trên hình 5.7.
Hoạt động của sơ đồ này đã được xét trong phần 5.2.3. lOMoAR cPSD| 58737056 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
Xk ký hiệu chuỗi bit đầu vào được sử dụng cho 3G WCDMA còn ck ký hiệu chuỗi bit đầu vào cho 4G LTE
Hình 5.7. Sơ đồ mã hoá turbo 8 trạng thái gồm cả bộ đan xen bên trong 5.3.2.2. Đan xen
Đan xen được thực hiện trên nguyên tắc là luồng ký hiệu phát được viết vào một
ma trận nhớ gồm các hàng và các cột theo trình tự phát, sau đó được đọc ra từ ma
trận này theo các địa chỉ được xác định bởi một quy định nào đó để đảm bảo
việc hoán vị vị trí các ký hiệu. Trong 3G UMTS đan xen được thực hiện hai lần.
Đan xen lần thứ nhất
. Đan xen lần thứ nhất là đan xen khối bằng cách hoán vị giữa các cột. Ta ký
hiệu chuỗi ký hiệu vào bộ đan xen này là
, trong đó i là sốthứ tự
kênh truyền tải (TrCH: Transport Channel) và Xi là số bit (ở tầng này coi rằng Xi là
một bội số nguyên của khoảng thời gian truyền dẫn, TTI= Transmission Time
Interval). Chuỗi ký hiệu ra được xác định như sau:
1) Chọn số cột C1 từ bảng 5.1, trong đó số thứ tự cột được đánh số là: 0,1,.., C1- 1.
2) Xác định số hàng R1 như sau: R1 = Xi/C1 lOMoAR cPSD| 58737056 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
3) Viết chuỗi ký hiệu vào vào ma trận chữ nhật R1 C1 theo hàng bắt đầu từ bit
vào cột đầu tiên của hàng đầu tiên và kết thúc bằng bit ở cột CI của hàng RI: (5.19)
4) Thực hiện hoán vị giữa các cột theo mẫu {P1C1 (j)} (j=0,1, …, C1-1) như cho
ở bảng 5.1, trong đó P1c1(j) là vị trí cột gốc của cột được hoán vị thứ j. Sau
hoán vị các cột, các bit được ký hiệu bằng yik: (5.20)
ma trận đựơc hoán vị giữa các cột R I C I . Bit
nhất của cột thứ nhất và bit
tương ứng dòng R của cột C . 5) Đọc chuỗi bit ra
của đan xen lần thứ nhát theo cột từ tương ứng dòng thứ I I . Bảng 5.1. TTI Số cột C1
Các mẫu hoán vị giữa các cột (thời gian một khối truyền tải) 10 ms 1 {0} 20 ms 2 {0,1} 40 ms 4 {0,2,1,3} 80 ms 8 {0,4,2,6,1,5,3,7}
Đan xen lần hai
Đan xen lần hai là một bộ đan xen khối bằng cách hoán vị các cột. Các bit
vào bộ đan xen được ký hiệu như sau:
, trong đó p là số kênh
vật lý và U là số các ký hiệu ở một khung vô tuyến đối với một kênh vật lý. Quá
trình đan xen được thực hiện như sau. lOMoAR cPSD| 58737056 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
(1) Đặt số cột bằng: C2 = 30. Số cột được đánh số từ trái sang phải như sau 0, 1, 2, ...., C2-1.
(2) Xác định số hàng R2 bằng cách tìm số nguyên cực tiểu R2 sao cho U R2 C2
Đánh số các hang của ma trận chữ nhật từ đỉnh đến đáy: 0,1,2, …, R2-1
(3) Viết chuỗi bit đầu vào u up,1, p,2 ,up,3, ,upU, vào ma trận R2 C2 theo hàng. yp,1 yp,2 yp,3 yp,C2 y y y p,(C2 1) p,(C2 2) p,(C2 3) y p,(2 C2) (5.21)
yp,((R2 1) C2 2) yp,((R2 1) C2 3) yp,(R2 C2) yp,((R2 1) C2 1)
Trong đó yp,k= up,k đối với k=1, 2, …, U nếu R2xC2>U, các bit giả được độn sao
cho yp,k= 0 hay 1 đối với k=U+1, U+2, …, R2xC2. Các bit giả bị loại bỏ khỏi đầu
ra của ma tận sau khi hoán vị các cột.
(4) Thực hiện hoán vị cột theo mẫu {P2(j)} (j = 0, 1, ..., C2-1) được cho ở bảng 5.2,
trong đó P2(j) là vị trí cột gốc của cột được hoán vị thứ j. Sau khi hoán vị các
cột, các ký hiệu được ký hiệu bằng y’p,k. y' p,1
y'p,(3 R2) y'p,((C2-1) R2 1) y' y' p,R2 p,(R2 y'p,(2 R2)
y'p,((C2-1) R2 2) (5.22) 1) y'p,(2 R2 1) y'p,2 y' y'p,(2 R2 2) p,(R2 2) y' p,(C2 R2)
(5) Đọc các ký hiệu ra bộ đan xen theo cột từ ma trân R2 C2 sau hoán vị. Đầu ra
được tỉa bớt để xoá đi các ký hiệu không có ở chuỗi các ký hiệu vào: các ký hiệu ypk
tương ứng với các ký hiệu upk với k>U bị loại bỏ khỏi đầu ra. Các bit sau đan xen
lần hai được ký hiệu là vp,1, vp,2, …, vp,U, trong đó vp,1 tương ứng với ký hiệu y’p,k có
chỉ số k nhỏ nhất sau khi tỉa bớt, vp,2 tương ứng với ký hiệu y’p,2 có chỉ số k nhỏ
thứ hai sau khi tỉa bớt .... Bảng 5.2 Số cột C2
Mẫu hoán vị giữa các cột <
P2(0), P2(1), …, P2(C2-1) > lOMoAR cPSD| 58737056 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
{0, 20, 10, 5, 15, 25, 3, 13, 23, 8, 18, 28, 1, 11, 21, 30
6, 16, 26, 4, 14, 24, 19, 9, 29, 12, 2, 7, 22, 27, 17}
5.3.3. Phối hợp tốc độ
Phối hợp tốc độ có nghĩa là lặp hoặc đục lỗ các ký hiệu ở kênh truyền tải
(TrCH) để đạt được tốc độ ký hiệu như nhau cho các kênh có tốc độ bit khac nhau
ở các cấu hình vô tuyến khác nhau. Lớp cao sẽ ấn định thuộc tính của phối hợp tốc
độ cho từng TrCH. Thuộc tính này là bán cố định và chỉ có thể thay đổi theo thông
báo của lớp cao. Thuộc tính phối hợp tốc độ được sử dụng để tính số bit cần lặp hoặc đục lỗ.
Ta xét đục lỗ cho mã turbo ở W-CDMA để làm thí dụ cho phối hợp tốc độ.
Đục lỗ để phối hợp tốc độ áp dụng riêng rẽ cho zk và z'k. Đục lỗ không áp dụng cho
Xk (trừ các bit đuôi mã lưới) nên cần tách riêng các chuỗi bit Xk, Zk, Z'k.
Chức năng phân tách bit sẽ trong suốt đối với các kênh truyền tải (TrCH)
không được mã hoá, các kênh TrCH mã hoá xoắn và các kênh mã hoá turbo được
lặp. Phân tách bit và thu thập được minh hoạ ở hình 5.8.
Hình 5.8. Đục lỗ các kênh TrCH được mã hoá turbo
Các bit đầu ra bộ mã hóa Ck được phân tách như sau:
x1k chứa tất cả các bit hệ thống và một số bit khác cần cho kết cuối lưới. x2k chứa tất
cả các chẵn lẻ (các bit được mã hóa) thứ nhât và một số bit khác cần cho kết cuối
lưới. x3k cứa tất cả các bit chẵn lẻ thứ hia (các bit được mã hóa) và một số bit khác
cần cho kết cuối lưới.
5.4. XỬ LÝ KÊNH VẬT LÝ VÀ MÃ HÓA KIỂM XOÁT LỖI TRONG 4G LTE 5.4.1. Mở đầu
Trong LTE các kênh khác nhau sử dụng các sơ đồ mã hóa kênh khác nhau..
Mã turbo được sử dụng cho các gói số liệu lớn như trong các trường hợp truyền dẫn
số liệu đường lên, đường xuống, tìm gọi và quảng bá đa phương (MBMS) Mã hóa
xoắn cắn đuôi tỷ lệ 1/3 được sử dụng cho điều khiển đường lên, đường xuống cũng
như cho kênh điều khiển quảng bá (BCH). lOMoAR cPSD| 58737056 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
. Cần lưu ý rằng đan xen kênh riêng không được áp dụng cho truyền dẫn
đường xuống vì đan xen khối con và sắp xếp xen kẽ đã được thực hiện trong bước
phối hợp tốc độ đã phần nào đạt được mục tiêu đan xen kênh. Tuy nhiên truyền dẫn
đường lên sử dụng đan xen kênh để khai thác phân tập tần số khi cho phép nhảy tần trên đường lên.
Quá trình xử lý các kênh truyền tải cho các gói số liệu lớn được cho trến hình 5.9.
Hình 5.9. Quá trình xử lý kênh truyền tải cho DL-SCH, PCH và MCH
5.4.2.2. Kiểm tra vòng dư (CRC)
Phát hiện lỗi trong hệ thống LTE được thực hiện trên cơ sở kiểm tra vòng dư
(CRC). Tính toán CRC được thực hiện như đã xét trong phần 5.2. lOMoAR cPSD| 58737056 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
Các mã CRC trong LTE sử dụng đa thức tạo mã sau đây :
gCRC24A(D) = [D24 + D23 + D18 + D17 + D14 + D11 + D10
+ D7 + D6 + D5 + D4 + D3 + D + 1] (5.53) gCRC24B(D) = [D24 + D23
+ D6 + D5 + D + 1]
(5.54) gCRC16(D) = [D16 + D12 + D5 + 1] (5.55) gCRC8(D)
= [D8 + D7 + D4 + D3 + D + 1] (5.56) Đa thức thức gCR24A được sử dụng để tính
toán CRC khối truyền tải lớn dành cho truyền số liệu. Đa thức gCRC24B được sử
dụng để tính toán CRC khối mã. Các đa thức còn lai được sử dụng để tính toán
CRC cho các kênh truyền tải điều khiển và báo hiệu.
Sau gắn thêm CRC, chuỗi bit được ký hiệu là , trong đó
B=A+L. Quan hệ giữa các bit ak và bk như sau:
bk=ak đối với k=0,1,2,…., A-1 (5.57)
bk=pk-A đối với k=A, A+1, A+2, …, A+L-1 (5.58)
5.4.3. CRC khối mã và các sơ đồ gắn khối mã
Khối mã (Code block) bao gồm một tập các bit số liệu được mã hóa đồng
thời. Trong LTE, kích thước cực đại của khối mã bị hạn chế bằng: Z=6144bit. Khối
truyền tải là một khối số liệu được lớp trên chuyển đến lớp vât lý để truyền dẫn
trong một khung con có độ dài 1ms. Khi truyền dẫn MIMO (Multi- input Multi-
output: nhiều đầu vào nhiều đầu ra), nhiều khối truyền tải được gọi là các từ mã
(Codeword ) có thể được truyền trong một khung con, chẳng hạn trong LTE R8 cực
đại có thể có hai khối truyền tải (hay hai từ mã). Các khối truyền tải có kích thước
lớn hơn khối mã cực đại phải được phân đoạn thành nhiều khối mã Code Block)
như trên hình 5.10. Kích thước cực đại của khối mã bị giới hạn vì kích thước bộ
đan xen bên trong bộ mã hóa turbo cũng như sự phức tạp của giải mã. lOMoAR cPSD| 58737056 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
Hình 5.10 Phân đoạn và sắp xếp khối truyền tải lên tài nguyên vật lý
Trên hình 5.10 các khối mã được sắp xếp lên các tài nguyên tần số - thời gian
theo cách trước hết theo tần số. Cách này cho phép giải mã các khối mã liên tiêp
kiểu pipeline và nhờ vậy giảm độ phức tạp giải mã,tuy nhiên không nhận được phân
tập thời gian đầy đủ vì đối với một số lượng lớn khối mã các khối mã chỉ có thể
được truyền trong một khung con. Tuy nhiên, với khung con ngắn (1ms), kênh hầu
như không đổi tại các tốc độ di động UE thấp và trung bình. Tại các tốc độ UE cao
hơn, có thể xẩy ra giảm một phần hiệu năng do không có phân tập thời gian như
trong trường hợp sắp xếp trước tiên theo thời gian. Tuy nhiên ta có thể nhận thấy
răng mục đích đầu tiên của LTE là tối ưu hóa hiệu năng tại các tốc độ thấp và trung
bình và vì thế sắp xếp trước tiên theo tần số cho phép cân đối giữa giảm độ phức tạp
và phần nào mất hiệu năng tại các tốc độ cao.
Hình 5.11 cho thấy các phương pháp gắn CRC cho nhiều khối mã. Trước tiên
khối truyền tải được phân đoạn thành C đoạn khối mã. Trong sơ đồ gắn CRC A,
CRC được tính tóan để gắn cho từng đoạn một cách độc lập. Trong sơ đồ B, tính
toán CRC cho C-1 đoạn khối mã đầu tiên khác với cho đoạn cuối cùng. Tính toán
CRC cho đoạn cuối cùng dựa trên tất cả các bit thông tin của khối truyền tải này.
Trong sơ đồ C, CRC mức TB (khối truyền tải) đựợc tính toán dựa trên tất cả các bit
thông tin của khối truyền tải được gắn đến TB. Sau đó toàn bộ khối truyền tải cùng
với TB CRC được chia thành các đoạn khối mã. Cuối cùng CRC được tính toán và
gắn độc lập cho từng khối mã. lOMoAR cPSD| 58737056 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
Hình 5.11. Các sơ đồ gắn mã
Đối với sơ đồ B và C, việc gắn CRC tại mức khối truyên tải (TB) với L=24
cho xác suất phát hiện sai như sau: Pm= 2-24 6x10-6 (5.59)
Đối với sơ đồ gắn mã A, kiểm tra sự đúng đắn của TB được thực hiện bằng
cách XOR tất cả CRC mức đoạn. nếu độ dài gắn CRC mức đọan trong sơ đồ A giữ
nguyên L=24, thì xác suất phát hiện sai một TB bị lỗi như sau: Pm = Cx6x10-8 (5.60)
Trong đó C là số khối mã CB. lOMoAR cPSD| 58737056 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
Xác suất này sẽ tăng khi kích thước TB tăng (số khối mã C tăng). Chẳng han
xác suất phát hiện sai với số khối mã C=25 sẽ vào khoảng 1,5x10-6. Nhìn từ các lớp
cao hơn tỷ lệ mất gói có thể quá cao.
Ta thấy rằng sơ dồ A dẫn đến phát hiện sai tăng khi tăng số lượng các khối
mã, vì thế ảnh hưởng lên hiệu năng truyền tải và các giao thức lớp ứng dụng. Nhược
điểm của sơ đồ C so với sơ đồ A là tăng phần bổ sung CRC thêm 24 bit, tuy nhiên
phần bổ sung này nói chung là không đang kể khi kích thước các khối truyền tải khá
lớn. Trường hợp xấu nhất phần bổ sung này chỉ chiếm chưa đến 1%. Vì thế sơ đồ
C đựơc chấp nhận sử dụng cho LTE.
Sự khác nhau vê phần bổ sung CRC giữa CB CRC 16 bit và CB CRC 24 bit
là không lớn do kích thước khối mã khá lớn. Tuy nhiên CB CRC 24 bit cho xác suất
phát hiện sai lỗi thấp hơn nhiều vì thế trong LTE, CRC 24 bit được lựa chọn cho cả TB và CB.
5.4.4. Phân đoạn khối mã
Như đã nói ở trên, khối mã có kích thước cực đại Z=6144 bit. Khi kích thước
khối truyền tải hay toàn bộ kích thước sau khi móc nối các khối truyền tải B lớn hơn
6144 bit, khối truyền tải được đựơc phân đoạn thành các khối mã (CB) và các
CRC24 được gắn vào từng khối mã. Các bit đầu vào phân đoạn đựơc ký hiệu như sau: b0, b1, b2, b3, …., bB-1 (5.61)
Tổng số C khối mã được xác định như sau: Nếu B Z: L=0, C=1, B’=B, (5.62)
Nếu B>Z: L=24, C= B/(Z-24) , B’=B+C.L (5.63)
Cần lưu ý rằng, khi chỉ có một khối mã, nghĩa là C=1, một CRC mức TB
(TB-CB) đựơc sử dụng. Tuy nhiên khi có nhiều khối mã, các CRC mức CB
(CBCRC) dài L=24 được gắn đến từng khối mã kết hợp với CRC mức TB. Các bit
của khối mã đầu ra phân đoạn được ký hiệu như sau:
cr0, cr1, cr2, cr3, …., cr(Kr-1) (5.64)
trong đó r là số thứ tự khối mã và Kr là số bit trong khối mã thứ r.
Ta xét thí dụ phân đoạn khối mã trên hình 5.12 cho trường hợp B>Z= 6114
bit. Giả sử tổng số bit đầu vào khối phân đoạn khối mã là 19000 bit bao gồm 1876
bit số liệu và 24 bit TB-CRC (CRC mức khối truyền tải). Vì B>Z=6114 nên tổng số
khối mã được xác định như sau :