Mô hình hóa và mô phỏng hiệu năng mã hóa LDPC trong môi trường kênh pha đinh cho thông tin di động 5g

Trong những năm gần đây, nghiên cứu về mã LDPC đã được tập trung vào các mã LDPC có cấu trúc được gọi là mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp bán chu kỳQC-LDPC, cho thấy những ưu điểm hơn so

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA VIỄN THÔNG I



-Đề tài: Mô hình hóa và mô phỏng hiệu năng

mã hóa LDPC trong môi trường kênh pha

đinh cho thông tin di động 5G

Mã số: 14 – SV_2021 – VT1

Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Viết Đảm

Sinh viên thực hiện:

MỤC LỤC

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

MỤC LỤC BIỂU ĐỒ

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

LỜI MỞ ĐÂÙ

NỘI DUNG ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ THÁCH THỨC TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G

1.1 Phân tích các yêu cầu cơ bản trong thông tin di động 5G

1.1.1Một số ứng dụng điển hình của 5G

1.1.2Các chỉ số yêu cầu và kịch bản ứng dụng 5G

1.2 Quá trình nghiên cứu và phát triển 5G

1.2.1Lịch sử ra đời

1.2.2Khám phá 5G khác biệt như thế nào

1.3 Kết luận chương

CHƯƠNG 2: MÃ HÓA VÀ GIẢI MÃ KIỂM TRA CHẴN LẺ MẬT ĐỘ THẤP TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G

2.1 Đặc tính mã LDPC .

2.2 Xây dựng ma trận kiểm tra chẵn lẻ H

2.2.1 Phương pháp Gallager để xây dựng ngẫu nhiên H cho các mã đều

2.2.2Cấu trúc đại số của H cho các mã đều

2.3 Mã 5G NR QC-LDPC

2.3.1Giới thiệu về mã QC-LDPC

2.3.2Đặc điểm QC-LDPC 5G NR

2.4 Mã hóa LDPC

2.4.1Phương pháp tiền xử lý

2.4.2 Mã hóa hiệu quả các mã LDPC

2.5 Giải mã LDPC

2.5.1Giải mã LDPC trên kênh xóa nhị phân bằng cách sử dụng Thuật toán chuyển thông tin

2.5.2Giải mã tổng - tích

2.5.2.1 Thuật toán tổng – tích miền log (SPA)

2.5.2.2 Thuật toán tổng – nhỏ nhất (min – sum)

2.6 Kết luận chương

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ KÊNH PHA ĐINH ,MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG MỘT SỐ KÊNH PHA ĐINH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G……… 30

-3.1 :Một số kênh pha đinh trong thông tin di động 5G……… … - 30

Đề tài nghiên cứu khoa học

3.1.1: Mô hình kênh Tepped Delay Line(TDL)……….- 30 -

3.1.2: Mô hình kênh Clustered Delay Line (CDL)……….……… - 30 -

3.2 :Mô hình hóa, kịch bản mô phỏng, mô phỏng một số kênh pha đinh điển hình trong thông tin di động 5G……… - 32 -

3.2.1: Mô hình hóa và kịch bản mô phỏng………- 32 -

3.2.1.1:Mô hình hóa……… - 32 -

3.2.1.2: Kịch bản mô phỏng……… - 32 -

3.2.2: Mô phỏng một số kênh pha đinh trong thông tin di động 5G…… … - 33 -

KẾT LUẬN……… ……….….- 35 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….- 35

-MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 : Các kịch bản sử dụng của IMT cho năm 2020 và tương lai

Hình 1.2: Một số xu hướng phát triển trong 5G

Hình 1.3: Lịch trình phát hành 3GPP

Hình 2.1: Cấu trúc của ma trận cơ sở cho mã QC-LDPC trong 5G NR

Hình 2.2: Ma trận cơ sở của sơ đồ cơ bản 1

Hình 2.3: Ma trận kiểm tra chẵn lẻ cho ở dạng tam giác dưới thấp

Hình 3.1: Mô hình mô phỏng mức hiệu năng mức liên k

Hình 3.2: k

Hình 3.3: k

Hình 3.4: k

Hình 3.5: k

MỤC LỤC BIỂU ĐỒ

Bảng 2.1: Thiết lập các lần dịch chuyển của sơ đồ cơ sở 1 ……… …- 18

Bảng 2.2: Kích thước nâng Z được hỗ trợ bởi mã QCLDPC 5G tiêu chuẩn 19

-Bảng 3.1: Các tham số đầu vào cho chương trình……… - 33

Communications

Đề tài nghiên cứu khoa học

LỜI MỞ ĐẦU

Thực hiện nghiên cứu khoa học là một thử thách, đòi hỏi sự kiên trì và tập trungcao độ Được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô và sự cố gắng của các thành viêntrong nhóm đề tài của nhóm đã được hoàn thành trong thời gian cho phép

Nhóm em xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô giáo trong Khoa Viễn Thông

I đã đem tâm huyết của mình để tận tình giảng dạy.Bên cạnh đó nhóm em xin gửi lờicảm ơn sâu sắc tới thầy Nguyễn Viết Đảm người đã hướng dẫn, động viên và tạo điềukiện thuận lợi để nhóm em thực hiện và hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học này

Cuối cùng, nhóm em xin kính chúc các cô chú, quý thầy, cô luôn dồi dào sứckhoẻ, thành công trong sự cuộc sống Chúc các bạn sinh viên luôn luôn phấn đấu vàthành công!

Em xin chân thành cảm ơn!

T/M nhóm sinh viên

MinhNguyễn Xuân Minh

NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Tính cấp thiết của đề tài: Mã hóa kênh có vai trò quan trọng trong việc truyền dẫn

thông tin số Mục đích của mã hóa kênh là nhằm tăng khả năng tái tạo dữ liệu bị can nhiễu ở phía đầu thu

Gần đây, truyền thông thế hệ thứ năm (5G) đã là một điểm nóng của nghiên cứu

và phát triển Đặc biệt hơn, Mã LDPC đóng một vai trò quan trọng trong giao tiếp5G và đã được chọn làm sơ đồ mã hóa cho kênh dữ liệu Băng thông rộng Di độngnâng cao (eMBB) trong 5G Để hỗ trợ tỷ lệ tương thích và truyền dữ liệu có thể mởrộng, 3GPP đã đồng ý xem xét hai sơ đồ cơ sở tương thích tỷ lệ, BG1 và BG2, cho

mã hóa kênh Theo đó, một số nghiên cứu đã được tiến hành trên các mã LDPC5G Một số khía cạnh khác như hiệu suất, tính linh hoạt (về tốc độ mã và kíchthước khối), hỗ trợ HARQ bao gồm dự phòng gia tăng (IR), độ phức tạp khi triểnkhai (ví dụ: ở đa Gbps thông lượng), độ trễ (ví dụ: quay vòng nhanh hơn LTE), làđược điều tra tỉ mỉ Đặc biệt, LDPC linh hoạt đã được công nhận là cung cấp sựđánh đổi tốt nhất về tổng thể và đã đồng ý dưới dạng lược đồ mã hóa cho kênh dữliệu eMBB NR, trong khi Polar mã đã được đồng ý cho các kênh điều khiển eMBBNR

Trong những năm gần đây, nghiên cứu về mã LDPC đã được tập trung vào các

mã LDPC có cấu trúc được gọi là mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp bán chu kỳ(QC-LDPC), cho thấy những ưu điểm hơn so với các mã khác các loại mã LDPCliên quan đến việc triển khai phần cứng của mã hóa và giải mã bằng cách sử dụngcác thanh ghi dịch chuyển đơn giản và mạch logic Một bộ mã hóa có độ phức tạpthấp có thể được thực hiện bằng cách sử dụng mã QC-LDPC, do sự thưa thớt của

ma trận kiểm tra chẵn lẻ Tuy nhiên, nó không đơn giản để mã hóa với độ phức tạpthấp vì mã LDPC được xác định bằng ma trận kiểm tra chẵn lẻ của chúng và matrận sinh thường không được biết Nhiều cách tiếp cận khác nhau đã được đề xuất

để cải thiện độ phức tạp phần cứng của bộ mã hóa LDPC Một trong những cáchtiếp cận thông thường nhất là mã hóa hệ thống, trong đó ma trận sinh được bắtnguồn từ ma trận kiểm tra chẵn lẻ bằng cách khai thác phép loại bỏ Gauss

Đề tài: Mô hình hóa và mô phỏng hiệu năng mã kiểm tra mật độ thấp LDPC trong thông tin di động 5G nghiên cứu nhằm mục đích: nhằm mục tiêu hiểu được

bộ mã hóa QC-LDPC các đặc điểm của mã LDPC và các tổng quan của mạng

thông tin di động 5G để từ đó mô phỏng hiệu năng cuả mã LDPC

Cấu trúc của đồ án được tổ chức như sau

Chương 1: Cung cấp tổng quan về thông tin di động 5G.

Chương 2: Cung cấp tổng quan ngắn gọn về các đặc điểm của mã QC-LDPC

5G NR

Chương 3 : Một số kênh pha đinh điển hình trong thông tin di động 5G,mô hình hóa và mô phỏng hiệu năng của mã LDPC trong thông tin di động 5G

Đề tài nghiên cứu khoa học

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ THÁCH THỨC TRONG

THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G

Từ quá trình tiến hóa của thông tin di động, sự phát triển bùng nổ, sự thâm nhập sâu rộng vào nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội Được dẫn dắt bởi các ứng dụng mới, người dùng đã gia tăng yêu cầu đối với dịch vụ không dây, đặt ra các yêu cầu khắt khe, nghiêm ngặt đối với chỉ số kỹ thuật của mạng Do đó, hệ thống thông tin di động 5G xuất hiện vào thời điểm có tính lịch sử và cống hiến để mở màn cho kỷ nguyên thông tin toàn diện và cung cấp trải nghiệm tuyệt vời cho người dùng Gần đây, sự tập trung nghiên cứu về công nghệ chủ đạo cho 5G, đặc biệt là: thiết lập, kiểm tra, đánh giá và xác minh nhằm cải thiện hiệu năng Chương này, tóm tắt các tính năng chủ đạo

về các công nghệ ứng viên và các thách thức đối với thông tin di động 5G.

1.1 Phân tích các yêu cầu cơ bản trong thông tin di động 5G

Lĩnh vực thông di động đã phát triển với một tốc độ đáng kinh ngạc, đã trở thànhmột trong những ngành công nghiệp trụ cột cho sự phát triển kinh tế toàn cầu Chothấy rõ rằng, công nghệ truyền thông di động đang làm thay đổi cuộc sống và côngviệc của từng người, và sẽ tiếp tục ảnh hưởng sâu rộng lên sự phát triển xã hội Conngười ngày càng phụ thuộc vào truyền thông di động Gần đây, doanh nghiệp đã đadạng hóa hình thức liên kết, sự kết nối trong truyền thông di động, dẫn đến sự pháttriển nhanh chóng về công nghệ lưu trữ và xử lý dữ liệu lớn Trong khi đó, nhiều độtphá đã được thực hiện và phát triển xử lý trí tuệ nhân tạo và thiết bị thời gian thực Sựxuất hiện của những công nghệ mới này đã mang lại sự tiện lợi rất lớn cho cuộc sống.Tuy nhiên, cũng xuất hiện không ít thách thức đối với thông di động hiện đại

Vì vậy, tồn tại cả cơ hội và thách thức đối với thông tin di động 5G Với người

dùng, viễn cảnh của 5G là "thông tin đến như bạn muốn và mọi thứ đều được liên lạc".

Ta sẽ cảm thấy sự hấp dẫn của thời đại thông tin Mục đích của 5G là xây dựng một hệsinh thái thông tin ổn định, thuận tiện và kinh tế cho con người Như được minh họatrong Hình 1.1, các tính năng chủ đạo của thời đại thông tin sẽ được đưa vào sự pháttriển của 5G và người dùng có thể tận hưởng cuộc sống thông minh và thuận tiện Với

sự phổ biến của các thiết bị đeo được, sự đa dạng về chủng loại và sự gia tăng về sốlượng thiết bị đầu cuối di động, sẽ tăng trưởng một cách bùng nổ Dự đoán trong tươnglai gần, sẽ gia tăng về nhu cầu thực tế ảo và trải nghiệm thực tế, nhu cầu đám mây dữliệu văn phòng lớn, điều khiển không dây quy trình sản xuất hoặc sản xuất côngnghiệp, phẫu thuật y tế từ xa, tự động hóa trong lưới điện thông minh, giao thông antoàn và các khía cạnh khác, không chỉ yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu mạng 5G ở mứcrất cao, nhưng cũng yêu cầu trải nghiệm thời gian thực gần như không có trễ Ngoài ra,việc giảm chi phí và tiết kiệm năng lượng cũng được xem xét

Hình1.1 : Các kịch bản sử dụng của IMT cho năm 2020 và tương lai

1.1.1 Một số ứng dụng điển hình của 5G

Sự ra đời của 5G được hưởng lợi nhiều từ sự tăng trưởng về quy mô lớn củaInternet di động và vạn vật kết nối (IoT), và ứng dụng 5G cũng chủ yếu nằm trong sựphát triển của hai mạng này Gần đây, Internet di động, với tư cách là nhà cung cấp cácdoanh nghiệp chính về truyền thông dữ liệu di động, đã thúc đẩy sự phát triển lĩnh vựcdịch vụ thông tin khác nhau Nhà cung cấp dịch vụ đã tận dụng tối đa các lợi thế về tài

nguyên và dịch vụ của họ và triển khai nhiều ứng dụng, dẫn đến " hoa nở cùng nhau"

trên thị trường Đến năm 2020, các chức năng tiện lợi sẽ được hiện thực hóa thông quaInternet di động và nhu cầu về thực tế ảo cũng như sự tăng cường trong trải nghiệm tròchơi Với sự phát triển hơn nữa của Internet di động, tốc độ truyền thông tin sẽ tăng lênhàng nghìn lần

IoT là một minh họa lý tưởng về ứng dụng đầy đủ của công nghệ thế hệ mới.Trong mọi lĩnh vực của cuộc sống, thông qua IoT, con người có thể quản lý sản xuất

và có được cuộc sống năng động hơn, đạt được trạng thái "thông minh" và cải thiện

mức độ sử dụng tài nguyên IoT, với tư cách là một công cụ chủ đạo để hiện thực hóacuộc sống, công việc và sản xuất thông minh, mở rộng sự giao tiếp của con người vàcủa con người với mọi thứ Phạm vi ứng dụng của IoT rất rộng như: bảo vệ môitrường, giao thông thông minh, an toàn công cộng, công việc của chính phủ, an toàntại nhà, chữa cháy thông minh, giám sát môi trường, kiểm soát ánh sáng, chăm sóc sứckhỏe, truy xuất nguồn gốc thực phẩm, trồng hoa, giám sát hệ thống nước, gián điệp,

thu thập thông tin và nhiều lĩnh vực khác Có thể nói rằng, IoT sẽ là "sức mạnh sản xuất quan trọng" thúc đẩy sự tiến bộ của xã hội Do đó, vấn đề mấu chốt là thúc đẩy

phát triển của IoT, sự phát triển của IoT phụ thuộc vào sự phát triển của công nghệ

Đề tài nghiên cứu khoa học

truyền thông Ta có thể hình dung thấy, một khi IoT có mặt ở mọi nơi trong cuộc sống,

đồng nghĩa với " mọi thứ được kết nối", việc truyền thông tin sẽ rất thường trực giữa

mọi thứ, mọi thứ và từng người, và sự thay đổi này không chỉ mang lại sức sống mới

và cơ hội mới mà còn đặt ra thách thức lớn đối với truyền thông di động

IoTPhương tiện

và xe cộthông minh

Trong trường hợp đông đúc như sân vận động, mật độ lưu lượng giao thông cựclớn và mật độ kết nối siêu cao, ta cần tốc độ truyền của truyền thông vô tuyến cao nhưcáp quang để truyền ảnh, truyền video, phát sóng trực tiếp và các dịch vụ khác Trongcác kịch bản di động tốc độ cao, ví như: Đường sắt tốc độ cao (HSR), mật độ lưulượng và kết nối giao thông tương đối thấp hơn so với các sân vận động Vì tốc độ củaHSR thường trên 200 km/h, nên yêu cầu cao đối với truyền thông vô tuyến

Tham số

Tốc độ dữ liệu đỉnh

Tốc độ dữ liệu người dùng trải nghiệm

Mật độ kết nối

Mật độ dịch vụ

Trễ đầu cuối-đầu cuối

Cỡ ms

Bảng 1.1: Các yêu cầu cơ bản của 5G

Mặc dù hiện tại rất thuận tiện cho ta truy cập Internet, một nửa thế giới vẫn nằmngoài vùng phủ của Internet sau vài thập kỷ kể từ khi có thiết bị đầu cuối di động Với

sự phát triển và thay đổi của Internet, Internet được mở rộng và ngày càng có nhiềuthiết bị được kết nối với nhau Cisco dự báo đến năm 2019, toàn thế giới sẽ có 11,5 tỉthiết bị được kết nối, bao gồm một số thiết bị khó kết nối dưới nước hoặc ngoài vùngphủ sóng của vệ tinh, do đó, nó ngày càng trở nên phổ biến để đáp ứng các yêu cầucho vùng phủ sóng rộng trong tương lai

Dự đoán rằng, lưu lượng dữ liệu di động sẽ tiếp tục tăng trưởng bùng nổ: từ năm

2010 đến 2020, tăng trưởng lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu sẽ tăng hơn 200 lần,trong khi từ 2010 đến 2030, hơn 20.000 lần Trong khi đó, sự tăng trưởng lưu lượng

dữ liệu di động của Trung Quốc cao hơn mức trung bình toàn cầu Theo dự đoán, từnăm 2010 đến 2020, sẽ tăng trưởng hơn 300 lần, trong khi đó từ năm 2010 đến năm

2030, tăng hơn 40.000 lần

Vì vậy, dựa vào các yêu cầu trên, mục tiêu chung của 5G là: nhanh hơn, hiệu

quả hơn và thông minh hơn Cụ thể là, các yêu cầu hiệu năng cơ bản của 5G được

cho ở Bảng 1.1

Để đáp ứng trải nghiệm của người dùng ở nhiều chiều, cần phải phối kết hợp/hội

tụ nhiều công nghệ đạt được yêu cầu hiệu năng của 5G (trong bảng 1.1) Ví như, côngnghệ truyền thông vô tuyến siêu dày đặc đóng góp vào việc cải thiện hiệu năng tốc độ

dữ liệu, mật độ kết nối và mật độ dịch vụ của người dùng thông qua việc tăng tốc triểnkhai trạm gốc Công nghệ ăng-ten khổng lồ (Massive antenna) cải thiện hiệu quả sửdụng phổ bằng cách tăng số lượng ăng-ten và có ý nghĩa quan trọng trong việc cảithiện tốc độ dữ liệu đỉnh, tốc độ dữ liệu của người dùng, mật độ kết nối và mật độ dịch

vụ Công nghệ truyền thông sóng milimet cho phép có thêm phổ khả dụng ở quy môlớn, nó cũng rất triển vọng để cải thiện hiệu năng tốc độ dữ liệu đỉnh, tốc độ dữ liệucủa người dùng và mật độ dịch vụ

1.2 Quá trình nghiên cứu và phát triển 5G

1.2.1 Lịch sử ra đời

Từ năm 2009, LTE (Long Term Evolution) đã tạo ra một sự bùng nổ trên toàncầu Vào cuối năm 2012, Liên minh châu Âu (EU) đã đầu tư 27 triệu euro và ra mắtHiệp hội thông tin 5G đầu tiên (METIS) Có 29 thành viên tham gia dự án này gồm:các nhà sản xuất thiết bị, nhà điều hành, nhà sản xuất xe hơi và tổ chức học thuật, vànội dung nghiên cứu bao gồm các kịch bản và yêu cầu của 5G, kiến trúc mạng và cácloại công nghệ vô tuyến mới Năm 2013, Kế hoạch 863 của Trung Quốc đã đầu tư đểnghiên cứu và phát triển hệ thống 5G, nội dung nghiên cứu bao gồm kiến trúc mạng vôtuyến, ăng ten quy mô lớn, Mạng vô tuyến siêu dày đặc, nền tảng trạm vô tuyến mềm,

ảo hóa mạng vô tuyến, truy cập không dây trong nhà trên băng sóng milimet, cũng nhưđánh giá, kiểm tra và xác minh Để thúc đẩy sự phát triển hệ thống 5G, các chính phủ

Đề tài nghiên cứu khoa học

đã thành lập các nền tảng truyền thông công nghệ như "Tập đoàn tiên tiến di độngquốc tế-2020 (IMT-2020) (5G)", Nhật Bản "2020 và xa hơn nữa", Hàn Quốc đã "Diễnđàn 5G" v.v.v…

Hiện tại, Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã xác định thời gian biểu côngviệc cho 5G: ITU đã hoàn thành việc xây dựng tầm nhìn 5G và các chỉ số kỹ thuật thenchốt trong năm 2015 Trong năm 2016, các yêu cầu và phương pháp đánh giá hiệunăng công nghệ 5G đã được trình bày Năm 2017, đã tiến hành tập hợp/thu thập tiêuchuẩn toàn cầu về 5G Và đến cuối năm 2020, sẽ hoàn thành các đặc tả kỹ thuật cho5G Dự án Đối tác Thế hệ thứ 3 (3GPP), với tư cách là tổ chức tiêu chuẩn hóa truyềnthông di động quốc tế, đã xác định kế hoạch nghiên cứu 5G, và đã khởi xướng nghiêncứu về các yêu cầu đối với công nghệ 5G vào năm 2015 và hội thảo chuyên ngành vềcông nghệ 5G vào cuối năm 2015 Dự định hoàn thành giai đoạn nghiên cứu phác thảocông nghệ 5G từ năm 2016 đến 2017 và hoàn thiện đặc tả công nghệ 5G "Phiên bản14" từ 2018 đến 2019 Đối với nhóm tiêu chuẩn hóa 802.11, để đáp ứng việc kinhdoanh ở quy mô lớn tại các điểm nóng và trong nhà, dự định hỗ trợ truyền băng tần5GHz (không có giấy phép) trong 802.11ax, trong khi đó, sử dụng công nghệ bù nhiễu

và OFDMA, có thể đạt được tốc độ 10Gbps và nâng cao hiệu năng Mạng cục bộ vôtuyến (WLAN) Theo kế hoạch nhóm làm việc của 802.11n, dự kiến sẽ hoàn thành đặc

tả kỹ thuật cho tiêu chuẩn 802.11ax trong năm 2018

Phê chuẩn của 3GPP phiên bản 15 các thông số kỹ thuật 5G (NR) NSA vào tháng

12 năm 2017 đã hình thành nền tảng của các sản phẩm 5G thương mại Đặc điểm kỹthuật bao gồm hỗ trợ cho dải tần thấp, trung bình và cao phổ tần từ 600 MHz đến 50GHz Bản phát hành 15 đã hoàn toàn hoàn thành với mức giảm cuối năm 2019

Hình 1.3: Lịch trình phát hành 3GPP

Phiên bản 16 sẽ mở rộng 5G vào năm 2020 và sẽ tập trung vào các chức năngcho hướng thẳng đứng và cải tiến toàn bộ hệ thống Nó sẽ nhắm mục tiêu nâng cao cáctrường hợp sử dụng xa hơn sự phát triển dài hạn (LTE), Xe cho mọi thứ (V2X) vàthêm các cải tiến cho công nghiệp IoT và truyền thông độ trễ thấp siêu đáng tin cậy

(URLLC) để thay thế Ethernet nhà máy Nó cũng sẽ tìm cách cải thiện tín hiệu định vị,nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (MIMO), và tiêu thụ điện năng hệ thống thấp hơn.

Mạng truy cập vô tuyến 5G (RAN) được thiết kế để hoạt động hoàn toàn với cácmạng 4G LTE hiện có Tiêu chuẩn 3GPP phiên bản 15 cho phép nhiều tùy chọn triểnkhai NR như 3x NSA và 2 SA Các thuật ngữ tùy chọn xuất phát từ các nghiên cứukiến trúc 5G ban đầu được sử dụng để phân tích và thiết lập sự phát triển cuối cùngcủa NSA và SA NSA sử dụng băng tần neo LTE để điều khiển, với băng tần 5G NR

để cung cấp tốc độ dữ liệu nhanh hơn NSA cho phép các nhà mạng cung cấp tốc độ

dữ liệu 5G mà không yêu cầu xây dựng lõi 5G mới

Bất kể triển khai NSA hay SA, phổ tần cho 5G hoạt động đang phát triển nhanhchóng Ta có thuật ngữ quen thuộc "Dưới 6 GHz" cho FR1 là "Dưới 7 GHz" thành hỗtrợ phân bổ tần số tiềm năng lên đến 7 GHz Trong 5G NR phát hành 15, các dải tầnhoạt động được chia thành hai dải tần số: dải tần số 1 (FR1) và dải tần số 2 (FR2) FR1thường được gọi là sub-7 GHz và FR2 là dải tần số sóng 5G milimét (mmWave) (xembảng 1.2) Các thiết kế lớp vật lý và lớp cao hơn là bất khả tri về tần số, nhưng các yêucầu về hiệu suất vô tuyến riêng biệt được chỉ định cho mỗi dải tần Ngoài ra, cácphương pháp thử nghiệm khác nhau được sử dụng trong FR1 và FR2 Trong FR1, cảhai phương pháp thử nghiệm điều khiển và qua không khí (OTA) đều được sử dụng,trong khi ở FR2 chỉ cần có phương pháp OTA

Đề tài nghiên cứu khoa học

Kỹ thuật vô tuyến mới 5G (NR) sử dụng sơ đồ điều chế, dạng sóng và tiếp cậncông nghệ để cho phép hệ thống mạng đáp ứng nhu cầu dịch vụ tốc độ dữ liệu cao,cung cấp độ trễ thấp, tốc độ dữ liệu nhỏ, và tuổi thọ pin dài

1.2.2 Khám phá 5G khác biệt như thế nào

Tất cả các thế hệ trước của tiêu chuẩn kết nối di động hầu như chỉ tập trung vàocác dịch vụ truyền thông tiêu dùng cải tiến như nâng cấp trình duyệt web, tạo tốc độ

dữ liệu cao hơn, thêm luồng video và thêm các kết nối không dây được cải tiến 5Gcũng giải quyết nhu cầu của các doanh nghiệp, thành phố, tiện ích và hơn thế nữa

Kết nối không dây 5G sẽ có nghĩa là tốc độ tải xuống và tải lên nhanh hơn, độ trễthấp hơn và dung lượng tăng thêm Sẽ có một sự thay đổi lớn đối với kết nối liềnmạch, với dữ liệu tải xuống chuyển từ tốc độ dữ liệu cao nhất 2 Gbps của 4G sang dữliệu cao nhất 10 Gbps của 5G Tất cả điều này dẫn đến sự trễ ngắn hơn, kết nối tốthơn, tính di động cao hơn và tốc độ nhanh hơn cho mọi doanh nghiệp, người tiêudùng, và thực thể giải trí

Mặc dù mỗi ứng dụng có một sự pha trộn độc đáo của các thuộc tính, phần lớncác trường hợp sử dụng 5G có thể được nhóm xung quanh một trong ba mục:

Băng thông rộng di động nâng cao (eMBB)

lớn Sự giao tiếp kiểu-máy (MTC)

Sự giao tiếp tần suất thấp cực kì đáng tin cậy (URLLC)

 Băng thông rộng di động nâng cao (Enhanced Mobile Broadband)

Tận dụng cả phổ FR1 và FR2, 5G sẽ thúc đẩy hiệu suất ước tính di động, chophép tốc độ cao, trải nghiệm kết nối đám mây và khả năng phản hồi theo thời gianthực eMBB sẽ cung cấp thông lượng cực cao cho đô thị đông đúc, tính di động cao vàmôi trường trong nhà Người dùng sẽ có thể tải xuống vài gigabyte dữ liệu cho cácứng dụng như video 3D, tính chất xác thực tăng cao (AR) và tính chất ảo (VR) chỉ

trong vài giây chứ không phải vài phút.

 Sự giao tiếp kiểu máy khổng lồ (Massive machine-type communication)

Đúng như tên gọi của nó, MTC khổng lồ sẽ chủ yếu dành cho sự giao tiếp tới-máy (M2M), kết nối mọi thứ ở mọi nơi và sẽ yêu cầu ít hoặc không cần sự tươngtác của con người Các ứng dụng này thường là các thiết bị và cảm biến năng lượngthấp và chi phí thấp, nó cung cấp phạm vi phủ sóng từ đầu đến cuối tốt và truyền dữliệu trở lại lên đám mây

máy- Sự giao tiếp độ trễ thấp cực kì đáng tin cậy (Ultra-reliable low-latency communication)

Các trường hợp sử dụng URLLC yêu cầu khả năng xử lý, tương quan và sắp xếpcác đầu vào đa diện để có phản hồi nhanh Trường hợp sử dụng bao gồm xe ô tô tự lái,chăm sóc sức khỏe, tiện ích, phản hồi đầu tiên và bảo mật Các dịch vụ này sẽ chophép các quyết định thông minh và tự chủ trong thời gian thực, nó đòi hỏi vùng phủsóng, kết nối đáng tin cậy, bảo mật và tính bền vững

1.3 Kết luận chương

Bắt đầu từ các yêu cầu ứng dụng 5G, chương này đã tóm tắt các ứng dụng điển hình cho thông tin di động 5G, một số kịch bản triển khai điển hình, các chỉ số kỹ thuật then chốt, cũng như các kế hoạch và tiến trình nghiên cứu và phát triển 5G toàn cầu Trình bày lọc các công nghệ ứng viên then chốt của 5G và đặc điểm của chúng, phân tích các thách thức của các công nghệ ứng viên này để kiểm tra và xác minh 5G.

Đề tài nghiên cứu khoa học

CHƯƠNG 2: MÃ HÓA VÀ GIẢI MÃ KIỂM TRA CHẴN LẺ MẬT ĐỘ THẤP

TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G

Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC), được Gallager đề xuất lần đầu tiên vào đầu những năm 1960 và được MacKay và Neal phát hiện lại vào năm 1996, đã thu hút sự chú ý rộng rãi Hơn nữa, mã LDPC là một trong những loại được sử dụng rộng rãi nhất sử dụng mã sửa lỗi chuyển tiếp (FEC) trong một số tiêu chuẩn truyền thông như mạng cục bộ không dây (WLAN, IEEE 802.11n), mạng truy cập vô tuyến không dây, kỹ thuật số phát sóng video (DVB), và Uỷ Ban Hệ thống Truyền hình Tiên tiến (ATSC) Chương này tìm hiểu các đặc tính của mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp LDPC Tiếp đến thảo luận về một số chức năng chính được hỗ trợ bởi chuỗi mã hóa kênh dữ liệu NR, trong đó LDPC được áp dụng để sửa lỗi chuyển tiếp (FEC) Các xử

lý đòi hỏi mã hóa kênh phát hiện / sửa lỗi lược đồ, đối sánh tỷ lệ, đan xen và kênh vận chuyển hoặc ánh xạ vào (hủy ánh xạ từ) các kênh vật lý Cuối cùng tìm hiểu các phương pháp mã hóa và giải mã sử dụng trong mã LDPC.

2.1 Đặc tính mã LDPC

Mã LDPC là mã sửa lỗi tuyến tính có ma trận kiểm tra chẵn lẻ H, tức là có ítphần tử khác không trong mỗi hàng và cột Mã LDPC có thể được phân loại thành mã

mã LDPC nhị phân đều Kích thước của H thường rất lớn, nhưng mật độ của nguyên

tố khác không rất thấp Mã LDPC có độ dài n có thể được ký hiệu là một mã LDPC (n,

dài lớn hơn mang lại khả năng mã hóa tốt hơn Hầu hết các mã LDPC đều được xây

2.2 Xây dựng ma trận kiểm tra chẵn lẻ H

2.2.1 Phương pháp Gallager để xây dựng ngẫu nhiên H cho các mã đều

Trong phương pháp này, phép chuyển vị của ma trận kiểm tra chẵn lẻ đều H

Hoán vị ngẫu nhiên các cột của H1 với xác suất bằng nhau, ma trận H2 được tạo

2.2.2 Cấu trúc đại số của H cho các mã đều

Việc xây dựng ma trận kiểm tra chẵn lẻ H bằng cách xây dựng đại số như sau

c -1 w

r -1

và thu được ma trận kế tiếp bằng

H

Ma trận H đã xây dựng có các hàng wca và các cột wra và nó là một ma trận n, w

c , w

dựng bốn chu kỳ tự do Các mã LDPC đại số dễ giải mã hơn các mã ngẫu nhiên Đốivới n trung gian, mã đại số được thiết kế tốt mang lại BER thấp.

2.3 Mã 5G NR QC-LDPC

Công nghệ truy cập NR đánh dấu bước chuyển đổi trong mã hóa FEC cho 3GPPcủa công nghệ di động Trong phần này, các mã QC -LDPC được xem xét và các đặcđiểm của mã QC -LDPC 5G tiêu chuẩn được tóm tắt Ngoài ra, có các bước được trìnhbày để xây dựng ma trận kiểm tra chẵn lẻ của các mã LDPC mục tiêu

2.3.1 Giới thiệu về mã QC-LDPC

Ma trận kiểm tra chẵn lẻ bán chu kì được phân chia thành các ma trận con khác 0

có trọng số tuần hoàn bằng 1 Ma trận kiểm tra chẵn lẻ H của mã QC-LDPC có thểđược xác định bằng đồ thị cơ sở và hệ số dịch chuyển (Pi, j) Các phần tử 1 và 0 trong

đồ thị cơ sở được thay thế bằng một ma trận hoán vị tuần hoàn và một ma trận 0 có

Đề tài nghiên cứu khoa học

Mỗi lần nhập trong ma trận E được coi là một giá trị dịch chuyển Cần lưu ý rằng

ma trận kiểm tra chẵn lẻ H trong phương trình (2.7) có thể được xây dựng bằng cách

là ma trận vuông có cấu trúc đường chéo kép: cột đầu tiên của nó có trọng số 3, trongkhi ma trận con bao gồm các cột sau cột đầu tiên có cấu trúc đường chéo kép phía trên

Ma trận con O là một ma trận không Để hỗ trợ hiệu quả yêu cầu lặp lại kết hợp mềm

tự động dự phòng nâng cao (IR-HARQ), một phần mở rộng dựa trên kiểm tra chẵn lẻđơn (SPC) được sử dụng để hỗ trợ tỷ lệ thấp hơn, như thể hiện trong hình 2.3 Ma trậncon C tương ứng với các hàng SPC và I là ma trận đơn vị tương ứng với tập bit chẵn lẻthứ hai, tức là phần mở rộng SPC Sự kết hợp của A và B được gọi là chủ yếu, và cácphần khác (O, C và I) được gọi là phần mở rộng Cấu trúc mã này tương tự như phần

mở rộng Raptor-like

Hình 2 1: Cấu trúc của ma trận cơ sở cho mã QC-LDPC trong 5G NR

3GPP đã đồng ý xem xét hai sơ đồ cơ sở tương thích tỷ lệ, ký hiệu là BG1 vàBG2, cho mã hóa kênh Đồ thị cơ sở BG1 và BG2 có cấu trúc tương tự Tuy nhiên,BG1 được nhắm mục tiêu cho độ dài khối lớn hơn (500 ≤ K ≤ 8448) và tỷ lệ cao hơn(1/3 ≤ R ≤ 8/9), trong khi BG2 được nhắm mục tiêu cho độ dài khối nhỏ hơn (40 ≤ K ≤

ZxZ dịch chuyển ma trận đơn vị ZxZ sang bên phải i lần cho phần tử khác 0 thứ (i,

biểu thị module toán học

1,

P i,j f V i,j , z

mod V i,j , z

Đối với đồ thị cơ sở BG1 và BG2, số lượng thiết kế hệ số dịch chuyển là 8 Tất

cả các kích thước dịch được chia thành tám bộ dựa trên tham số a, trong đó a được sử

Các bước sau đây là các bước xây dựng ma trận kiểm tra chẵn lẻ của mã

QC-LDPC mục tiêu (N, K) với kích thước khối thông tin cho trước là K và tốc độ mã R =

Đề tài nghiên cứu khoa học

 Bước 3: Sau khi xác định được kích thước nâng Z, ma trận hệ số dịch

chuyển tương ứng được chọn từ bảng 2.1{bộ 1, bộ 2, , bộ 8} theo tập Z

 Bước 4: Tính giá trị hệ số dịch chuyển Pi,j bằng phép toán Z mô-đun, như

đã thảo luận trong công thức (2.9)

 Bước 5: Thay thế từng lần nhập trong ma trận lũy thừa cuối cùng bằng ma

trận hoán vị tuần hoàn tương ứng hoặc ma trận không có kích thước Z × Z.Quá trình xây dựng mã QC-LDPC được hoàn thành và thu được ma trận kiểm

b Z Trong mã QC-LDPC 5G, việc rútngắn và đục lỗ được thực hiện để có được độ dài thông tin mong muốn và tỷ lệthích ứng

Hình 2.2: Ma trận cơ sở của sơ đồ cơ bản 1

Đề tài nghiên cứu khoa học

trên T được sử dụng trong phân vùng của ma trận H hoặc sự thuận tiện của việc biểu

Ta có thể viết

H

b : mH

2Hoặc tương đương,

PH1 H2

sẽ cô lập các hàng riêng lẻ của ma trận sinh Giải phương trình (2.15) đối với ma trận

P, đồ án nhận được

2

modulo-2 số học Cuối cùng, ma trận sinh LDPC được xác định bởi

2.4.2 Mã hóa hiệu quả các mã LDPC

Phương pháp tiền xử lý được thảo luận trong mục 2.5.1 để tìm ma trận sinh G cho một H đã cho có thể được sử dụng để mã hóa bất kỳ vectơ bit thông tin tùy ý nào

mã hóa bằng cách sử dụng ma trận kiểm tra chẵn lẻ trực tiếp bằng cách sử dụng

Quy trình các bước để mã hóa hiệu quả mã LDPC như sau:

 Bước 1: Bằng cách thực hiện hoán vị hàng và cột, ma trận kiểm tra chẵn lẻ

không đặc biệt H sẽ được đưa về dạng ba tam giác dưới được chỉ ra trongHình 2.8 Chính xác hơn, ma trận H được đưa về dạng