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 LDPC, cho thấy những ưu điểm hơn so vớ
QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ THÁCH THỨC TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G
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 thành một trong những ngành công nghiệp trụ cột cho sự phát triển kinh tế toàn cầu Cho thấy rõ rằng, công nghệ truyền thông di động đang làm thay đổi cuộc sống và công việc của từng người, và sẽ tiếp tục ảnh hưởng sâu rộng lên sự phát triển xã hội Con người ngày càng phụ thuộc vào truyền thông di động Gần đây, doanh nghiệp đã đa dạng hóa hình thức liên kết, sự kết nối trong truyền thông di động, dẫn đến sự phát triển nhanh chóng về công nghệ lưu trữ và xử lý dữ liệu lớn Trong khi đó, nhiều đột phá đã được thực hiện và phát triển xử lý trí tuệ nhân tạo và thiết bị thời gian thực Sự xuất 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 hệ sinh thái thông tin ổn định, thuận tiện và kinh tế cho con người Như được minh họa trong Hình 1.1, các tính năng chủ đạo của thời đại thông tin sẽ được đưa vào sự phát triển 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 số lượng thiết bị đầu cuối di động, sẽ tăng trưởng một cách bùng nổ Dự đoán trong tương lai gần, sẽ gia tăng về nhu cầu thực tế ảo và trải nghiệm thực tế, nhu cầu đám mây dữ liệu văn phòng lớn, điều khiển không dây quy trình sản xuất hoặc sản xuất công nghiệp, phẫu thuật y tế từ xa, tự động hóa trong lưới điện thông minh, giao thông an toàn và các khía cạnh khác, không chỉ yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu mạng 5G ở mức rất 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 của Internet di động và vạn vật kết nối (IoT), và ứng dụng 5G cũng chủ yếu nằm trong sự phát triển của hai mạng này Gần đây, Internet di động, với tư cách là nhà cung cấp các doanh nghiệp chính về truyền thông dữ liệu di động, đã thúc đẩy sự phát triển lĩnh vực dịch 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 qua Internet di động và nhu cầu về thực tế ảo cũng như sự tăng cường trong trải nghiệm trò chơi Với sự phát triển hơn nữa của Internet di động, tốc độ truyền thông tin sẽ tăng lên hàng 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 hóa cuộc sống, công việc và sản xuất thông minh, mở rộng sự giao tiếp của con người và của con người với mọi thứ Phạm vi ứng dụng của IoT rất rộng như: bảo vệ môi trường, giao thông thông minh, an toàn công cộng, công việc của chính phủ, an toàn tại nhà, chữa cháy thông minh, giám sát môi trường, kiểm soát ánh sáng, chăm sóc sức khỏe, 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 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.
Hình 1.2: Một số xu hướng phát triển trong 5G
1.1.2 Các chỉ số yêu cầu và kịch bản ứng dụng 5G
Các kịch bản ứng dụng của 5G liên quan đến mọi khía cạnh trong cuộc sống thường ngày, công việc, giải trí và giao thông của con người và giao tiếp vô tuyến sẽ hiển thị các đặc điểm trong từng kịch bản Chẳng hạn, mật độ thiết bị di động dày đặc trong khu dân cư, sân vận động và chợ, truyền thông vô tuyến sẽ có các đặc điểm về mật độ lưu lượng giao thông cao và số lượng kết nối lớn, trong khi đó giao thông tàu điện ngầm và đường sắt tốc độ cao, tính di động cao làm cho vai trò của truyền thông không dây sẽ thực hiện Hiện tại, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) không thể đáp ứng các yêu cầu của một số tình huống mật độ lưu lượng truy cập cao, số lượng kết nối lớn và tính di động cao.
Trong trường hợp đông đúc như sân vận động, mật độ lưu lượng giao thông cực lớn và mật độ kết nối siêu cao, ta cần tốc độ truyền của truyền thông vô tuyến cao như cáp quang để truyền ảnh, truyền video, phát sóng trực tiếp và các dịch vụ khác Trong các kịch bản di động tốc độ cao, ví như: Đường sắt tốc độ cao (HSR), mật độ lưu lượng và kết nối giao thông tương đối thấp hơn so với các sân vận động Vì tốc độ của HSR thường trên 200 km/h, nên yêu cầu cao đối với truyền thông vô tuyến.
Tốc độ dữ liệu đỉnh >10Gbps
Tốc độ dữ liệu người dùng trải nghiệm >0,1Gbps
Mật độ kết nối Hàng triệu kết nối/Km 2
Sức khỏe và dịch vụ chuẩn đoán
Công nghiệp và sản xuất
IoT Phương tiện và xe cộ thông minh
Băng thông di động tăng ở mọi nơi
Mật độ dịch vụ 10Gbps/Km 2
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 nằm ngoài 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 nhiều thiết bị được kết nối với nhau Cisco dự báo đến năm 2019, toàn thế giới sẽ có 11,5 tỉ thiết bị được kết nối, bao gồm một số thiết bị khó kết nối dưới nước hoặc ngoài vùng phủ sóng của vệ tinh, do đó, nó ngày càng trở nên phổ biến để đáp ứng các yêu cầu cho 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, từ năm 2010 đến 2020, sẽ tăng trưởng hơn 300 lần, trong khi đó từ năm 2010 đến năm
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, công nghệ 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 triển khai trạm gốc Công nghệ ăng-ten khổng lồ (Massive antenna) cải thiện hiệu quả sử dụng phổ bằng cách tăng số lượng ăng-ten và có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện 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 mô lớn, nó cũng rất triển vọng để cải thiện hiệu năng tốc độ dữ liệu đỉnh, tốc độ dữ liệu của người dùng và mật độ dịch vụ.
Quá trình nghiên cứu và phát triển 5G
Từ năm 2009, LTE (Long Term Evolution) đã tạo ra một sự bùng nổ trên toàn cầu Vào cuối năm 2012, Liên minh châu Âu (EU) đã đầu tư 27 triệu euro và ra mắt Hiệp 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, và nội dung nghiên cứu bao gồm các kịch bản và yêu cầu của 5G, kiến trúc mạng và các loại công nghệ vô tuyến mới Năm 2013, Kế hoạch 863 của Trung Quốc đã đầu tư để nghiên cứu và phát triển hệ thống 5G, nội dung nghiên cứu bao gồm kiến trúc mạng vô tuyến, 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 như đánh giá, kiểm tra và xác minh Để thúc đẩy sự phát triển hệ thống 5G, các chính phủ đã thành lập các nền tảng truyền thông công nghệ như "Tập đoàn tiên tiến di động quốc tế-2020 (IMT-2020) (5G)", Nhật Bản "2020 và xa hơn nữa", Hàn Quốc đã "Diễn đàn 5G" v.v.v…
Hiện tại, Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã xác định thời gian biểu công việc cho 5G: ITU đã hoàn thành việc xây dựng tầm nhìn 5G và các chỉ số kỹ thuật then chốt trong năm 2015 Trong năm 2016, các yêu cầu và phương pháp đánh giá hiệu năng công nghệ 5G đã được trình bày Năm 2017, đã tiến hành tập hợp/thu thập tiêu chuẩn toàn cầu về 5G Và đến cuối năm 2020, sẽ hoàn thành các đặc tả kỹ thuật cho 5G Dự án Đối tác Thế hệ thứ 3 (3GPP), với tư cách là tổ chức tiêu chuẩn hóa truyền thông di động quốc tế, đã xác định kế hoạch nghiên cứu 5G, và đã khởi xướng nghiên cứu về các yêu cầu đối với công nghệ 5G vào năm 2015 và hội thảo chuyên ngành về công nghệ 5G vào cuối năm 2015 Dự định hoàn thành giai đoạn nghiên cứu phác thảo công nghệ 5G từ năm 2016 đến 2017 và hoàn thiện đặc tả công nghệ 5G "Phiên bản 14" từ 2018 đến 2019 Đối với nhóm tiêu chuẩn hóa 802.11, để đáp ứng việc kinh doanh ở quy mô lớn tại các điểm nóng và trong nhà, dự định hỗ trợ truyền băng tần 5GHz (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 vô tuyến (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 kỹ thuật bao gồm hỗ trợ cho dải tần thấp, trung bình và cao phổ tần từ 600 MHz đến 50 GHz 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 năng cho hướng thẳng đứng và cải tiến toàn bộ hệ thống Nó sẽ nhắm mục tiêu nâng cao các trường hợp sử dụng xa hơn sự phát triển dài hạn (LTE), Xe cho mọi thứ (V2X) và thêm 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 các mạng 4G LTE hiện có Tiêu chuẩn 3GPP phiên bản 15 cho phép nhiều tùy chọn triển khai NR như 3x NSA và 2 SA Các thuật ngữ tùy chọn xuất phát từ các nghiên cứu kiến trúc 5G ban đầu được sử dụng để phân tích và thiết lập sự phát triển cuối cùng của 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 nhanh chóng Ta có thuật ngữ quen thuộc "Dưới 6 GHz" cho FR1 là "Dưới 7 GHz" thành hỗ trợ phân bổ tần số tiềm năng lên đến 7 GHz Trong 5G NR phát hành 15, các dải tần hoạt động được chia thành hai dải tần số: dải tần số 1 (FR1) và dải tần số 2 (FR2) FR1 thường được gọi là sub-7 GHz và FR2 là dải tần số sóng 5G milimét (mmWave) (xem bảng 1.2) Các thiết kế lớp vật lý và lớp cao hơn là bất khả tri về tần số, nhưng các yêu cầu về hiệu suất vô tuyến riêng biệt được chỉ định cho mỗi dải tần Ngoài ra, các phương pháp thử nghiệm khác nhau được sử dụng trong FR1 và FR2 Trong FR1, cả hai 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.
Bảng 1.1: So sánh 2 dải tần số FR1 và FR2
Tham số Dải tần số 1(FR1)
(Sub-7GHz) Dải tần số 2 (FR2)
Dải tần số 410-7,125 MHz 24,25-52,6GHz
Băng thông truyền tải 5-100MHz 50-400MHz
Khoảng cách sóng mang con 15kHz, 300kHz, 60kHz 60kHz, 120kHz, 240kHz
Kết hợp sóng mang Lên tới 16 sóng mang Lên tới 16 sóng mang
Dạng sóng và điều chế CP-OFDM(UL/DL), DFT- s-OFDM(UL): QPSK,
CP-OFDM(UL/DL), DFT-s- OFDM(UL): / 2 -BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM
MIMO Lên tới 8 lớp trên UL,
Lên tới 4 lớp trên DL Lên tới 8 lớp trên UL,
Lên tới 4 lớp trên DL Ứng dụng triển khai Macro cell/ nhiều người dùng di động/ phạm vi dài
Small cell/ ít người dùng/ nội dung tăng/ phạm vi ngắn
Thách thức Ghép kênh không gian – cung cấp đa luồng song song của dữ liệu trong cùng khối tài nguyên
Chùm tia cho mỗi người dùng di động
Hiệu ứng không gian Cao vì ghép kênh không gian
Hiệu ứng không gian thấp – ít người dùng và tổn hao cao hơn
Số lượng người dùng đồng thời Mười người dùng, khu vực phủ sóng lớn Ít người dùng, khu vực phủ sóng nhỏ
Bảng 1.2: So sánh 2 dải tần số FR1 và FR2
Các băng tần LTE được sử dụng cho 5G NR sẽ sử dụng cùng một số băng với số định danh n Ngoài ra, FR1 và FR2 có một số khác biệt ngoài phương pháp thử nghiệm Những khác biệt này được thấy trong sự kết hợp sóng mang, MIMO và khoảng cách sóng mang con.
Kỹ thuật vô tuyến mới 5G (NR) sử dụng sơ đồ điều chế, dạng sóng và tiếp cận công 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 vào các 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 5G cũng 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 trễ thấp hơn và dung lượng tăng thêm Sẽ có một sự thay đổi lớn đối với kết nối liền mạch, với dữ liệu tải xuống chuyển từ tốc độ dữ liệu cao nhất 2 Gbps của 4G sang dữ liệu cao nhất 10 Gbps của 5G Tất cả điều này dẫn đến sự trễ ngắn hơn, kết nối tốt hơn, tính di động cao hơn và tốc độ nhanh hơn cho mọi doanh nghiệp, người tiêu dùng, và thực thể giải trí.
Mặc dù mỗi ứng dụng có một sự pha trộn độc đáo của các thuộc tính, phần lớn các 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, cho phép tốc độ cao, trải nghiệm kết nối đám mây và khả năng phản hồi theo thời gian thực eMBB sẽ cung cấp thông lượng cực cao cho đô thị đông đúc, tính di động cao và môi trường trong nhà Người dùng sẽ có thể tải xuống vài gigabyte dữ liệu cho các ứng 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 máy- tới-máy (M2M), kết nối mọi thứ ở mọi nơi và sẽ yêu cầu ít hoặc không cần sự tương tác của con người Các ứng dụng này thường là các thiết bị và cảm biến năng lượng thấp và chi phí thấp, nó cung cấp phạm vi phủ sóng từ đầu đến cuối tốt và truyền dữ liệu trở lại lên đám mây.
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 xếp các 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 cho phép các quyết định thông minh và tự chủ trong thời gian thực, nó đòi hỏi vùng phủ sóng, kết nối đáng tin cậy, bảo mật và tính bền vững.
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.
MÃ HÓA VÀ GIẢI MÃ KIỂM TRA CHẴN LẺ MẬT ĐỘ THẤP
Đặc tính mã LDPC
Mã LDPC là mã sửa lỗi tuyến tính có ma trận kiểm tra chẵn lẻ H, tức là có ít phần tử khác không trong mỗi hàng và cột Mã LDPC có thể được phân loại thành mã LDPC đều và không đều Khi ma trận kiểm tra chẵn lẻ H n-k ×k có cùng số wc trong mỗi cột và cùng số wr trong mỗi hàng, mã là một (wc, wr)đều Các mã Gallager ban đầu là 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, wc, wr) Do đó, mỗi bit thông tin liên quan đến kiểm tra chẵn lẻ wc và mỗi bit kiểm tra chẵn lẻ liên quan đến các bit thông tin wr Đối với một mã đều, ta có n-k w = nwr c do đó w < w c r Nếu tất cả các hàng là độc lập tuyến tính, tốc độ mã hóa là
r c r w -w w , ngược lại khi k < n Thông thường, một ma trận kiểm tra chẵn lẻ w c 3 với trọng lượng cột w c tối thiểu sẽ có một khoảng cách tối thiểu d min w +1 c Khi w c 3 , có ít nhất một mã LDPC có khoảng cách dmin nhỏ nhất tăng tuyến tính với độ dài khối n Do đó, mã có độ dài lớn hơn mang lại khả năng mã hóa tốt hơn Hầu hết các mã LDPC đều được xây dựng với wc và wr theo thứ tự 3 hoặc 4.
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
Ma trận H1 có n cột và n/wr hàng H1 chứa một số 1 duy nhất trong mỗi cột và chứa 1 ở hàng thứ i từ cột i - 1 w +1r đến cột iwr.
Hoán vị ngẫu nhiên các cột của H1 với xác suất bằng nhau, ma trận H2 được tạo thành từ H w c Ma trận kiểm tra chẵn lẻ cho n = 20, w = 3, w = 4c r được xây dựng bởi Gallager được đưa ra là:
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. Xem xét ma trận đơn vị Ia trong đó a > w -1 w -1 c r và thu được ma trận kế tiếp bằng cách dịch chuyển tuần hoàn các hàng của ma trận đơn vị Ia sang một vị trí bên phải.
A = I ama trận kiểm tra chẵn lẻ H có thể được xây dựng như sau
Ma trận H đã xây dựng có các hàng wca và các cột wra và nó là một ma trận
n, w , wc r đều có cùng số w trong mỗi hàng và cùng số w trong mỗi cột Nó là xây dựng bốn chu kỳ tự do Các mã LDPC đại số dễ giải mã hơn các mã ngẫu nhiên Đối với n trung gian, mã đại số được thiết kế tốt mang lại BER thấp.
Mã 5G NR QC-LDPC
Công nghệ truy cập NR đánh dấu bước chuyển đổi trong mã hóa FEC cho 3GPP của công nghệ di động Trong phần này, các mã QC-LDPC được xem xét và các đặc điểm của mã QC-LDPC 5G tiêu chuẩn được tóm tắt Ngoài ra, có các bước được trình bày để xây dựng ma trận kiểm tra chẵn lẻ của các mã LDPC mục tiêu.
2.3.1 Giới thiệu về mã QC-LDPC
Gọi Z là kích thước của ma trận hoán vị tuần hoàn và Pi,j là giá trị dịch chuyển. Đối với bất kỳ giá trị Pi,j nguyên nào, 0 ≤ Pi,j ≤ Z, ma trận hoán vị tuần hoàn Z × Z dịch chuyển ma trận đơn vị I sang phải theo Pi,j lần cho phần tử thứ (i, j) khác không trong ma trận cơ sở Ma trận hoán vị tuần hoàn nhị phân này được ký hiệu là Q (Pi,j) Ví dụ:
Q (−1) biểu thị ma trận rỗng (tất cả các phần tử bằng 0) có cùng kích thước.
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 thể được 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 kích thước Z × Z, tương ứng Đối với hai số nguyên dương m b và n b , với m b n b , hãy xem xét mã QC-LDPC được biểu thị bằng mảng m × n b b sau đây của ma trận tuần hoàn Z x Z.
Ma trận lũy thừa của H, là E (H), có dạng sau
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 mở rộng ma trận triển khai E(H) m × n b b Quy trình này được gọi là xây dựng sơ đồ.
2.3.2 Đặc điểm QC-LDPC 5G NR
Mã QC-LDPC đóng một vai trò quan trọng trong truyền thông 5G và đã được chấp nhận làm sơ đồ mã hóa kênh cho kênh dữ liệu eMBB 5G trong cuộc họp tiêu chuẩn 3GPP Hình 2.3 minh họa cấu trúc chung của đồ thị cơ sở NR QC-LDPC Các cột được chia thành ba phần: cột thông tin, cột chẵn lẻ lõi và cột chẵn lẻ mở rộng Các hàng được chia thành hai phần: hàng kiểm tra lõi và hàng kiểm tra mở rộng Như thể hiện trong hình, ma trận cơ sở bao gồm năm ma trận con, đó là A, B, O, C và I Ma trận con A tương ứng các bit hệ thống B tương ứng với tập các bit chẵn lẻ đầu tiên và là ma trận vuông có cấu trúc đường chéo kép: cột đầu tiên của nó có trọng số 3, trong khi 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 lẻ đơn (SPC) được sử dụng để hỗ trợ tỷ lệ thấp hơn, như thể hiện trong hình 2.3 Ma trận con C tương ứng với các hàng SPC và I là ma trận đơn vị tương ứng với tập bit chẵn lẻ thứ hai, tức là phần mở rộng SPC Sự kết hợp của A và B được gọi là chủ yếu, và các phần 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 ≤ các kích thước dịch chuyển Z sau đây, trong đó Z = a × 2 j đối với
Các giá trị dịch chuyển của ma trận hoán vị tuần hoàn có thể được tính bằng hàm
P f V Z trong đó V i j , là hệ số dịch của phần tử thứ (i,j) trong thiết kế dịch tương ứng Giá trị dịch chuyển P i j , là giá trị dịch chuyển tuần hoàn theo đường tròn từ ma trận đơn vị cho phần tử khác 0 thứ (i, j) trong ma trận cơ sở Ma trận hoán vị tuần hoàn
ZxZ dịch chuyển ma trận đơn vị ZxZ sang bên phải P i j , i lần cho phần tử khác 0 thứ (i, j) trong ma trận cơ sở Hàm f là được xác định như phương trình sau, trong đó mod biểu thị module toán học
(2.9) 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 dụng để định nghĩa kích thước nâng a × 2 j Bộ của hệ số dịch chuyển được liệt kê trong bảng 2.1
Bảng 2 1: Thiết lập các lần dịch chuyển của sơ đồ cơ sở 1
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 K / N Đối với đồ thị cơ sở, kb biểu thị số cột thông tin tuần hoàn Do đó, nếu kích thước nâng là Z, K = Z × kb
Bước 1: Lấy đồ thị cơ sở BG1 hoặc BG2 và xác định giá trị của kb đối với K và R đã cho
Đối với BG2: kb = 10 nếu K> 640; kb = 9 nếu 560