Nghiên cứu mã Turbo

1. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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:






















1 1 0 0 0 1
1 0 1 0 1 0
0 1 1 1 0 0
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. 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:
 







Tõ m·
Chuçi kiÓm tra B¶n tin
B¶n tin
0 1 1 0 1 1 0 1 1 , , , , , , , , , ,      k n k k c c c v v v c c c
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:
k k P I
g
g
g
 






















1 1 0 0 0 1
1 0 1 0 1 0
0 1 1 1 0 0
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. 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. 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
( )



N
k
L
n
L
r , 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)DN (1.4)
Trong đó: D là phần tử trễ.
Bộ mã hoá đầy đủ thể hiện đa thức sinh G nhƣ sau :

12. 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 1 0 1
1 0 1 1
G
Tƣơng ứng ta có g(1) = 1 + D2 + D3 và g(2) = 1 + D + D3 .
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+ D4
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+ D3)(1 + D3 + D4) = 1 + D2 + D4+ D5+ D7
Do đó, lối ra 1 là 10101101.
Tƣơng tự, lối ra 2 sẽ là:
c(2)(D) = g(2)(D)M(D) = (1 + D + D3)(1 + D3 + D4) = 1 + D + D5+ D6 + D7
Hay lối ra 2 là 11000111.
Cuối cùng 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. 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. 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. 15
T=0 T=1
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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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 6 3 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. 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
Chỉ số 0 1 2 3 4 5 6 7

27. 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 3 3 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. 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. 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. 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. 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. 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.
c ; I  DEC1 Inter. DEC2 (1) 
c ; I  ( 2 ) 
c ; I  (1) 
c ; I  ( 2 ) 
(u;O) A
1k  (u ) 1e k 
(u ) 2e k 
(u;O) A
2k 
( ) 1a k  u (u ) 2e k 
 

33. 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. 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. 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. 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.
N rate
E
Lc
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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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+D3, n(D) = 1+D+D3
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:
K K K X , Y , Y' , X , Y , Y' , , X , Y , Y' 1 1 1 2 2 2 

46. 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:
1 1 2 2 3 3 1 1 2 2 3 3 , , , , , , ' , ' , ' , ' , ' , ' K K K K K K K K K K K K X Y X Y X Y X Y X Y X Y
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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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/.