Luận văn Mã Turbo và Equalizer cho kênh truyền xuống trong HSPA+

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN VIỄN THÔNG  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÃ TURBO VÀ EQUALIZER CHO KÊNH TRUYỀN XUỐNG TRONG HSPA+ (TURBO CODE & EQUALIZER FOR DOWNLINK IN HSPA+) ĐỀ TÀI HỢP TÁC NGHIÊN CỨU GIỮA ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM VÀ ĐẠI HỌC KYUNG HEE, HÀN QUỐC GVHD: TS HOÀNG ĐÌNH CHIẾN TS TRẦN LÊ NAM GS EEN KEE HONG SVTH: THÁI BÌNH NGUYÊN 40401716 PHẠM SĨ PHÚ 40401889 Tp HCM, Tháng 12/2008 iLỜI MỞ ĐẦU uộc cách mạng của thị trường thông tin di động đưa ra các yêu cầu nâng cấp cải tiến về cả dung lượng hệ thống lẫn tốc độ truyền dẫn dữ liệu. Để tăng khả năng hỗ trợ cho các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói, 3GPP đã phát triền và chuẩn hóa trong phiên bản Release 5 một công nghệ mới, HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), cho phép cải thiện tốc độ truyền dẫn dữ liệu đường xuống và được xem như là sự phát triển mang tính cách mạng của mạng truy nhập vô tuyến WCDMA. Khái niệm HSDPA dựa trên một kênh truyền tải mới, kênh HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel), trong đó một số lượng lớn tài nguyên mã và công suất được gán cho một người sủ dụng tại một TTI (Transmission Time Interval) nào đó theo phương pháp ghép theo mã và/ hoặc theo thời gian. Bằng cách sử dụng kỹ thuật mã hóa Turbo tốc độ thay đổi, điều chế 16QAM, cũng như hoạt động đa mã mở rộng, kênh HS-DSCH hỗ trợ tốc độ dữ liệu đỉnh từ 120 kbps tới 10 Mbps. Một bộ mã hóa Turbo dựa trên bộ mã hóa Turbo Release 99 với tỉ lệ mã hóa 1/3, mặc dù các tỉ lệ mã hóa hiệu dụng khác trong phạm vi (xấp xỉ từ 1/6 đến 1/1) cũng có thể đạt được. Luận văn này trình bày sơ lược vài nét về một số tính năng kỹ thuật tiên tiến của công nghệ HSDPA vế khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu và tính di động, một số khái niệm về mã chập và cuối cùng là đi sâu vào mô phỏng, đánh giá mã Turbo cho kênh HS-DSCH theo các thông số của chuẩn 3GPP. C ii LỜI CẢM ƠN húng em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Hoàng Đình Chiến, TS. Trần Lê Nam và GS. Een Kee Hong (Đại học Kyung Hee – Hàn Quốc) đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian chúng em làm luận văn tốt nghiệp. Đặc biệt chúng em cảm ơn thầy TS. Hoàng Đình Chiến, giáo viên hướng dẫn chính của nhóm, thầy đã rèn luyện cho chúng em tính tự lập nghiên cứu, niềm đam mê và sự dấn thân cho khoa học. Tất cả những điều này sẽ là hành trang quý báu cho chúng em trên bước đường dài đầy chông gai sau này. Cuối cùng, chúng em muốn gởi lời cám ơn đến các bạn: Phạm Hoàng Việt và Nguyễn Quang Tuấn trong nhóm đã có những giúp đỡ, trao đổi và thảo luận cùng với chúng em trong quá trình làm Luận văn. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2008 Thái Bình Nguyên — Phạm Sĩ Phú C iii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ........................................................................................................... viii DANH MỤC BẢNG ............................................................................................................... xi THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ....................................................................................................... xii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG 3G 1.1 LỊCH SỬ CỦA HỆ THỐNG MẠNG ĐIỆN THOẠI DI DỘNG TẾ BÀO..1 1.1.1 Thế hệ thứ nhất (First Generation – 1G) .................................................1 1.1.2 Thế hệ thứ hai (Second Generation – 2G)...............................................2 1.1.3 Thế hệ 2.5 ...............................................................................................5 1.2 TỔNG QUAN VỀ 3G .......................................................................................9 1.3 CÁC ĐỀ NGHỊ CHO CHUẨN 3G..................................................................11 1.3.1 WCDMA.................................................................................................11 1.3.2 TDMA cải tiến ........................................................................................13 1.3.3 CDMA/TDMA kết hợp ..........................................................................13 1.3.4 OFDM.....................................................................................................14 1.3.5 IMT-2000................................................................................................15 1.4 3GPP .................................................................................................................16 1.4.1 TDD .......................................................................................................17 1.4.2 TD-SCDMA ..........................................................................................20 1.5 3GPP2 ...............................................................................................................23 1.6 NHỮNG BƯỚC TIẾN HÓA 3G ....................................................................26 CHƯƠNG 2: SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG HSDPA iv 2.1 MỞ ĐẦU ...........................................................................................................28 2.2 NHỮNG CẢI TIẾN QUAN TRỌNG TRONG HSDPA SO VỚI WCDMA ..........................................................................................................32 2.3 CẤU TRÚC HSDPA ........................................................................................34 2.4 CẤU TRÚC KÊNH HSDPA...........................................................................35 2.5 AMC VÀ KỸ THUẬT PHÁT ĐA MÃ ..........................................................36 2.6 THÍCH ỨNG LIÊN KẾT................................................................................38 2.7 HARQ NHANH ...............................................................................................40 2.8 KÊNH CHIA SẺ ĐƯỜNG XUỐNG TỐC ĐỘ CAO (HS-DSCH)..............42 2.8.1 Mã hóa cho kênh HS-DSCH ...................................................................44 2.8.2 Điều chế cho kênh HS-DSCH .................................................................48 CHƯƠNG 3: MÃ CHẬP 3.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ ..................................................51 3.2 MÃ CHẬP .........................................................................................................54 3.2.1 Cấu trúc bộ mã hóa ..................................................................................55 3.2.2 Các cách biểu diễn bộ mã hóa chập.........................................................56 3.2.2.1 Biểu diễn bộ sinh ........................................................................57 3.2.2.2 Biểu diễn giản đồ cây .................................................................57 3.2.2.3 Biểu diễn giản đồ trạng thái........................................................58 3.2.2.4 Biểu diễn giản đồ trellis ..............................................................59 3.2.3 Mã chập xấu.............................................................................................60 3.2.4 Giải mã quyết định cứng và giải mã quyết định mềm.............................61 3.2.5 Thuật toán Viterbi quyết định cứng .........................................................61 3.2.6 Thuật toán Viterbi quyết định mềm.........................................................68 3.2.6.1 Thuật toán Viterbi quyết định mềm (Phương pháp 1) ................68 3.2.6.2 Thuật toán Viterbi quyết định mềm (Phương pháp 2) ................69 3.2.7 Phân tích chất lượng mã chập..................................................................71 3.2.7.1 Hàm truyền cho mã chập ............................................................71 3.2.7.1.1 Các tính chất khoảng cách ............................................73 v3.2.7.1.2 Xác suất lỗi ...................................................................73 3.2.7.2 Độ sâu giải mã ............................................................................74 3.2.7.3 Góc lượng tử hóa ........................................................................74 3.2.7.4 Sự phức tạp giải mã cho mã chập ...............................................74 CHƯƠNG 4 : MÃ TURBO TRONG MÃ HÓA KÊNH TRUYỀN 4.1 LỊCH SỬ CỦA MÃ TURBO ...........................................................................76 4.1.1 Giới hạn Shannon về chất lượng ..............................................................76 4.2 MÃ HÓA TURBO ............................................................................................80 4.2.1 Bộ mã hóa chập hệ thống đệ quy (Recursive Systematic Convolutional - RSC Encoder) ............................80 4.2.2 Bộ mã hóa chập đệ quy và không đệ quy.................................................82 4.2.3 Sự kết nối các mã......................................................................................84 4.2.4 Bộ xáo trộn ...............................................................................................86 4.2.4.1 Giới thiệu ...................................................................................86 4.2.4.2 Thiết kế bộ xáo trộn ...................................................................86 4.2.4.3 Bộ xáo trộn khối (Block Interleaver).....................................................................88 4.2.4.4 Bộ xáo trộn ngẫu nhiên (giả ngẫu nhiên) (Random (Pseudo-Random) Interleaver) ..................................88 4.2.4.5 Bộ xáo trộn xoay vòng (Circular-Shifting Interleaver)...................................................89 4.2.4.6 Bộ xáo trộn bán ngẫu nhiên (Semirandom Interleaver)...........................................................89 4.2.4.7 Thiết kế bộ xáo trộn chẵn lẻ (Odd-Even Interleaver)...............................................................90 4.2.4.8 Bộ xáo trộn tối ưu (cận tối ưu) (Optimal (Near-Optimal) Interleaver) ........................................92 4.2.5 Cấu trúc của bộ mã hóa Turbo .................................................................92 vi 4.2.5.1 Giới thiệu ....................................................................................94 4.2.5.2 Sự ghép song song các mã RSC .................................................96 4.3 GIẢI MÃ TURBO ............................................................................................99 4.3.1 Giải mã tối ưu mã RSC với quyết định có trọng số..................................99 4.3.1.1 Thuật toán của BAHL được điều chỉnh cho mã RSC ................99 4.3.2 Thông tin ngoại lai của bộ giải mã RSC...................................................102 4.3.3 Sơ đồ giải mã cho mã ghép song song .....................................................103 4.3.3.1 Giải mã với vòng hồi tiếp ...........................................................103 4.3.3.2 Sự đan xen ..................................................................................107 4.3.4 Bộ giải mã Turbo ......................................................................................107 4.3.5 Giải mã Turbo bằng thuật toán MAP .......................................................108 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG MÃ TURBO CHO KÊNH TRUYỀN HS-DSCH CỦA HỆ THỐNG HSDPA 5.1 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG HSDPA ...............................................................114 5.2 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN MÔ PHỎNG MÃ HÓA TURBO......................115 5.2.1 Gắn CRC...................................................................................................115 5.2.1.1 Tính toán CRC............................................................................115 5.2.1.2 Quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của khối gắn CRC ...................117 5.2.2 Ghép khối giao vận và phân đoạn khối mã hóa.......................................117 5.2.2.1 Sự ghép nối các khối giao vận ....................................................117 5.2.2.2 Sự phân đoạn khối mã hóa .........................................................118 5.2.3 Mã hóa kênh truyền .................................................................................119 5.2.3.1 Mã hóa mã chập..........................................................................120 5.2.3.2 Mã hóa Turbo .............................................................................121 5.2.3.2.1 Bộ mã hóa Turbo .......................................................121 5.2.3.2.2 Sự kết thúc cây trellis cho bộ mã hóa Turbo .............123 5.2.3.2.3 Bộ xáo trộn nội mã Turbo..........................................124 5.2.3.2.3.1 Những bit ngõ vào ma trận chữ nhật có sự đệm .................................124 vii 5.2.3.2.3.2 Sự hoán vị trong 1 hàng (intra-row) và giữa các hàng (inter-row) .........................126 5.2.3.2.3.3 Ngõ ra các bit từ ma trận chữ nhật có sự xén tỉa..............................................128 5.2.3.3 Sự ghép nối các khối đã mã hóa ................................................128 5.3 MÔ PHỎNG VỚI KÊNH TRUYỀN AWGN.................................................129 5.4 MÔ PHỎNG VỚI KÊNH TRUYỀN FLAT FADING ..................................133 5.4.1 Mô hình hóa kênh truyền Flat Fading .....................................................133 5.4.2 Thiết kế bộ cân bằng MMSE ...................................................................136 5.4.3 Kết quả mô phỏng....................................................................................143 5.5 NHẬN XÉT KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ............................................................145 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN, HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 6.1 KẾT LUẬN........................................................................................................146 6.2 HẠN CHẾ ..........................................................................................................147 6.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI...........................................................147 Tài liệu tham khảo.....................................................................................................148 viii DANH MỤC HÌNH VẼ CHÖÔNG 1: Hình 1.1: Sự cấp phát phổ cho IMT-2000...............................................................11 Hình 1.2: Ví dụ về một khung TDD ........................................................................19 Hình 1.3: Khung con TD-SCDMA..........................................................................21 Hình 1.4: Ngăn xếp giao thức TSM.........................................................................23 Hình 1.5: Các kiểu sóng mang trong CDMA2000 ..................................................24 Hình 1.6: Những bước tiến hóa CDMA2000 ..........................................................25 Hình 1.7: Những bước tiến hóa 3G .........................................................................26 CHÖÔNG 2: Hình 2.1: Mô tả đơn giản nguyên lý hoạt động của HSDPA ..................................30 Hình 2.2: Các tính năng cơ bản của HSDPA khi so sánh với WCDMA ................32 Hình 2.3: Kiến trúc giao thức giao diện vô tuyến của kênh truyền tải HS-DSCH..34 Hình 2.4: Cấu trúc lớp vật lý đường xuống và đường lên của HSDPA ..................36 Hình 2.5: Năng lượng bit tín hiệu nhận được trên mật độ phổ tạp âm so với tỉ lệ dữ liệu đỉnh trên mã ......................................................................................38 Hình 2.6: Số mã tối ưu và MSC là một hàm của Eb/No của mỗi TTI. Giả thiết chất lượng kênh lý tưởng, user đi bộ, tốc độ 3km/h ................................39 Hình 2.7: Hoạt động của giao thức SAW 4 kênh ....................................................42 Hình 2.8: Sự phát đường xuống không liên tục với Release 99 DCH ....................44 Hình 2.9: Sơ đồ mã hóa cho kênh HS-DSCH .........................................................45 Hình 2.10: Chức năng HARQ ...................................................................................46 Hình 2.11: Nguyên tắc Chase (soft) combining với sự truyền lại đồng nhất ............47 Hình 2.12: Nguyên tắc HARQ với sự truyền lại không đồng nhất ...........................48 Hình 2.13: Giản đồ chòm sao cho QPSK và 16QAM ...............................................49 CHÖÔNG 3: Hình 3.1: Mô hình tổng quát hệ thống thông tin số .................................................51 Hình 3.2: Sơ đồ kênh kết hợp ..................................................................................53 Hình 3.3: Sơ đồ phân loại mã hóa kênh truyền .......................................................54 Hình 3.4: Ví dụ bộ mã hóa chập với x(i) là chuỗi bit thông tin đầu vào và c(i) là chuỗi bit đầu ra đã được mã hóa.............................................................55 Hình 3.5: Bộ mã hóa chập với k=1, n=2, r=1/2, m=2 và K=3 ................................56 Hình 3.6: Biểu diễn giản đồ cây cho bộ mã hóa trong Hình 3.5 ix với bốn khoảng bit ngõ vào .....................................................................57 Hình 3.7: Biểu diễn giản đồ trạng thái của bộ mã hóa trong Hình 3.5....................58 Hình 3.8: Các dịch chuyển trạng thái (đường đi) cho chuỗi thông tin ngõ vào {1 0 1 1} ..................................................................................................59 Hình 3.9: Biểu diễn giản đồ trellis của bộ mã hóa ở Hình 3.5 cho bốn khoảng bit đầu vào.....................................................................59 Hình 3.10: Đường đi trellis cho các dịch chuyển trạng thái ở Hình 3.8....................60 Hình 3.11: Ví dụ mã chập xấu ...................................................................................60 Hình 3.12: Giải mã quyết định cứng và quyết định mềm..........................................61 Hình 3.13: Hệ thống mã chập ....................................................................................62 Hình 3.14: Mô hình kênh truyền đối xứng nhị phân, với p là xác suất chéo ............63 Hình 3.15: Giản đồ dịch chuyển trạng thái của bộ mã chập ví dụ ............................67 Hình 3.16: Giải mã HDVA của ví dụ ........................................................................67 Hình 3.17: Giản đồ trạng thái điều chỉnh của Hình 2.4 với Sa là trạng thái bắt đầu và Se là trạng thái kết thúc ............................................................................71 CHÖÔNG 4: Hình 4.1: Hiệu quả sử dụng phổ của các sơ đồ điều chế và mã hóa khác nhau được tính toán cho trường hợp BER là 10-5 trên kênh AWGN ..............79 Hình 4.2: Bộ mã hóa chập truyền thống với r = 1/2 và K=3 ...................................80 Hình 4.3: Bộ mã hóa RSC đạt được từ hình 1.1 với r = 1/2 và K=3.......................81 Hình 4.4: Kỹ thuật kết thúc trellis cho bộ mã hóa RSC ..........................................82 Hình 4.5: Bộ mã hóa chập không đệ quy với r = 1/2 và K=2..................................82 Hình 4.6: Bộ mã hóa chập đệ quy với r = 1/2 và K=2.............................................83 Hình 4.7: Giản đồ trạng thái của bộ mã hóa không đệ quy như trong hình 4.5 ......83 Hình 4.8: Giản đồ trạng thái của bộ mã hóa đệ quy như trong hình 4.6 .................84 Hình 4.9: Mã kề nối tiếp ..........................................................................................84 Hình 4.10: Mã kề song song ......................................................................................85 Hình 4.11: Bộ xáo trộn làm tăng trọng số từ mã cho bộ mã hóa RSC thứ 2 so với bộ mã hóa RSC thứ 1....................................................................................86 Hình 4.12: Một ví dụ minh họa cho khả năngcủa bộ xáo trộn ..................................87 Hình 4.13: Bộ xáo trộn khối ......................................................................................88 Hình 4.14: Bộ xáo trộn ngẫu nhiên (giả ngẫu nhiên) với L=8 ..................................88 Hình 4.15: Bộ xáo trộn xoay vòng với L=8, a=3, và s=0..........................................89 Hình 4.16: Bộ xáo trộn nửa ngẫu nhiên với L=16 và S=2 ........................................90 Hình 4.17: Những bit mã hóa lẻ của chuỗi c2 được lưu trữ cho chuỗi thông tin (hệ thống) x......