เทคโนโลยี 5G New radio (NR) เป็นเทคโนโลยีที่มีวัตุประสงค์หลักแตกต่างจากระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ในยุคที่ผ่านมา โดยไม่ได้มีวัตถุประสงค์เพียงเพื่อให้เกิดการเชื่อมโยง การรองรับการติดต่อสื่อสาร และการเข้าถึงข้อมูลของบุคคลเท่านั้น แต่ยังมีวัตถุประสงค์เพื่อรองรับความต้องการในการติดต่อสื่อสารของสรรพสิ่งในภาคส่วนต่างๆ ของเศรษฐกิจซึ่งแบ่งออกเป็น 3 ด้าน ได้แก่ การใช้งานในลักษณะที่ต้องการการส่งข้อมูลความเร็วสูง (enhanced Mobile Broadband: eMBB) การใช้งานที่มีเชื่อมต่อของอุปกรณ์จำนวนมากในพื้นที่เดียวกัน (massive Machine Type Communications: mMTC) และการใช้งานที่ต้องการความสามารถในการส่งข้อมูลที่มีความเสถียรมากและมีความหน่วงเวลาต่ำ (Ultra-reliable and Low Latency Communications: URLLC) [1] ดังนั้นรูปแบบการเข้ารหัสช่องสัญญาณที่นำมาใช้ในเทคโนโลยี 5G จึงต้องรองรับเป็นความต้องการในการใช้งานดังกล่าว โดยในมาตรฐานของ 3GPP ได้แนะนำให้ใช้รูปแบบการเข้ารหัสช่องสัญญาณแบบรหัสแอลดีพีซีสำหรับช่องสัญญาณข้อมูล (data channel) และใช้โพลาร์สำหรับช่องสัญญาณควบคุม (control channel) แทนรหัสเทอร์โบและรหัสคอนโวลูชันในยุค 4G [2]
รหัสแอลดีพีซีสำหรับช่องสัญญาณข้อมูล
รหัสแอลดีพีซีถูกคิดค้นในปี พ.ศ.2505 โดยโรเบิร์ต เกรย์ แกลลาเจอร์ (Robert Gray Gallager) [3] ซึ่งเป็นรหัสแก้ไขความผิดพลาดข้างหน้า (forward error codes) ประเภทหนึ่งที่มีประสิทธิภาพสูง เนื่องจากให้สมรรถนะการแก้ไขความผิดพลาดที่เข้าใกล้ขีดจำกัดของแชนนอน โดยระบบสามารถใช้ประโยชน์จากช่องสัญญาณสื่อสารได้ถึงศักยภาพสูงสุดเท่าที่เป็นไปได้ รหัสแอลดีพีซีจัดเป็นรหัสบล็อกเชิงเส้น (linear block code) ชนิดหนึ่งที่สามารถนิยามได้อย่างสมบูรณ์ในรูปของเมทริกซ์พาริตีเช็ก (parity check matrix) H ที่มีขนาด M×N โดย M เป็นจำนวนแถวของเมทรกซ์ซึ่งเป็นค่าที่กำหนดจากบิตตรวจสอบ (parity check bit) ของคำรหัส และ N เป็นจำนวนคอลัมน์ของเมทริกซ์ซึ่งเป็นค่าที่กำหนดจำนวนบิตทั้งหมดของคำรหัส สมาชิกแต่ละตัวในเมทริกซ์ H มีค่าได้ 2 แบบคือ 0 หรือ 1 โดยโครงสร้างของเมทริกซ์ คุณลักษาณะสำคัญของรหัสแอลดีพีซี คือเมทริกซ์พาริตีเช็กที่มีจำนวนตัวเลข 1 น้อย หรืออาจกล่าวได้ว่าเมทริกซ์ H มีความหนาแน่นต่ำ (sparse matrix) จะเป็นปัจจัยสำคัญที่ช่วยให้กระบวนการถอดรหัสแบบวนซ้ำมีความซับซ้อนลดลง
ในระบบ 5G ได้มีการประยุกต์รหัสแอลดีพีซีแบบ quasi-cyclic (QC-LDPC) ที่มีการเข้ารหัสและถอดรหัสแบบขนาดทำให้มีปริมาณการส่งผ่านข้อมูลสูงและมีความหน่วงเวลาต่ำ ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานในด้าน eMBB และ URLLC นอกจากนี้ รหัสช่องสัญญาณ 5G สำหรับช่องสัญญาณข้อมูลควรรองรับการสื่อสารแบบ Hybrid automatic repeat request (HARQ) ซึ่งรหัสแอลดีพีซีได้มีการออกแบบเพื่อรองรับรูปแบบการสื่อสารดังกล่าวอย่างมีประสิทธิภาพ ข้อดีของรหัสแอลดีพีซีในระบบ 5G เมื่อเทียบกับรหัสเทอร์โบที่ใช้งานในระบบ 4G สามารถอธิบายได้ดังนี้
- รหัสแอลดีพีซีจะมีประสิทธิภาพของปริมาณการส่งผ่านข้อมูล (throughput) ต่อพื้นที่ดีกว่า และมีปริมาณการส่งผ่านข้อมูลสูงสุดที่สามารถใช้งานได้สูงกว่าในรหัสเทอร์โบ
- รหัสแอลดีพีซีสามารถลดความซับซ้อน และความหน่วงเวลา (latency) ในการถอดรหัสได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้งานกับรหัสที่มีอัตรารหัสสูง
- ในรหัสแอลดีพีซีได้มีการปรับปรุงประสิทธิภาพสำหรับทุกความยาวรหัสและทุกอัตรารหัสโดยให้ระดับความผิดพลาด (error floor) ที่อัตรารหัสต่ำกว่า 10-5
จากข้อดีดังกล่าวจึงส่งผลให้รหัสแอลดีพีซีเหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการปริมาณการส่งข้อมูลสูงและการใช้งานที่ต้องการความสามารถในการส่งข้อมูลที่มีความเสถียรมากและมีความหน่วงเวลาต่ำ ซึ่งถือเป็นเป้าหมายหลักในระบบ 5G [4]
รหัสโพลาร์สำหรับช่องสัญญาณควบคุม
รหัสโพลาร์ถูกคิดค้นในปี พ.ศ.2552 โดยเออร์ดัล อริกาน (Eral Arikan) [5] ซึ่งเป็นรหัสช่องสัญญาณแบบมีโครงสร้างรหัสแรกที่สามารถพิสูจน์ได้ว่ามีสมรรถนะเข้าใกล้ทฤษฎีความจุช่องสัญญาณของแชนนอล โดยใช้การถอดรหัสที่มีความซับซ้อนต่ำ แนวคิดหลักของการเข้ารหัสโพลาร์คือการแปลงคู่ของช่องสัญญาณที่มีอินพุตแบบไบนารีที่เหมือนกันไปเป็นช่องสัญญาณ 2 ช่องที่มีคุณสมบัติแตกต่างกัน โดยช่องสัญญาณหนึ่งจะมีคุณสมบัติที่ดีกว่าช่องสัญญาณเดิม (มีสัญญาณรบกวนน้อย) และอีกช่องสัญญาณหนึ่งจะมีคุณสมบัติแย่กว่าช่องสัญญาณเดิม (มีสัญญาณรบกวนมาก)
หลักการดังกล่าวเรียกว่าการโพลาไรซ์ของช่องสัญญาณ โดยช่องสัญญาณแต่ละช่องที่ผ่านการโพลาไรซ์จะถูกนำมาใช้สำหรับส่งบิตข้อมูลแต่ละบิต ซึ่งบิตข้อมูลที่ผู้ใช้งานต้องการส่งไปยังเครื่องรับจะถูกส่งผ่านช่องสัญญาณที่มีคุณภาพดีหรือมีสัญญาณรบกวนน้อยมาก และช่องสัญญาณที่เหลือจะถูกใช้สำหรับส่งบิตข้อมูลที่ถูกกำหนดหรือที่เรียกว่า บิตแช่แข็ง (frozen bit)
ตัวอย่างเช่น ต้องการเข้ารหัสข้อมูลที่มีความยาวรหัส N บิต โดยมีบิตข้อมูลที่ต้องการส่งจำนวน K บิต เมื่อทำการโพลาไรซ์ช่องสัญญาณแล้วจะทำการเลือกช่องสัญญาณที่มีคุณภาพดีที่สุดจำนวน K ช่อง เพื่อใช้สำหรับส่งบิตข้อมูล และช่องสัญญาณ N – K ช่อง จะถูกใช้สำหรับส่งบิตแช่แข็ง
ข้อดีของรหัสโพลาร์เมื่อเทียบกับรหัสเทอร์โบที่ใช้งานในระบบ 4G คือ รหัสโพลาร์สามารถที่มีการใช้งานร่วมการตรวจสอบความผิดพลาดแบบ CRC และมีการถอดรหัสแบบ Successive Cancellation List (SCL) จะมีประสิทธิภาพที่ดีกว่ารหัสเทอร์โบ เมื่อใช้สำหรับการส่งข้อมูลที่มีความยาวไม่เกิน 250 บิต ซึ่งเป็นขนาดข้อมูลที่เพียงพอสำหรับข้อมูลควบคุมการสื่อสาร อย่างไรก็ตาม รหัสโพลาร์ยังคงมีความซับซ้อนมากกว่ารหัสเทอร์โบที่ใช้งานระบบ 4G [4]
อ้างอิง
[1] กสทช. (2561). 5G: คลื่นและเทคโลโลยี. ค้นหาเมื่อ 17 ธันวาคม 2562, จาก
[2] J. H. Bae, A. Abotabl, H. Lin, and K. Song. (2552). An overview of channel coding for 5G NR cellular communications. Industrial Technology Advances, vol.4, 1-14.
[3] R. G. Gallager. (2505). Low-Density Parity-Check Codes. IRE Transections on Information Theory, vol.8, 21-28.
[4] D. Hui, S. Sandberg, Y. Blankenship, M. Andersson, and L. Grosjean. (2561). Channel Coding in 5G New Radio. IEEE Verhicular Technology Magazine, vol.13, 60-69.
[5] E. Arikan. (2552). Channel Polarization: A method for Constructing Capacity-Acheving Codes for Symmetric Binary-Input Memoryless Channels. IEEE Transactions on Theory, vol.55, 3051-3073.
