（信号与信息处理专业论文）无线通信中的turbo码及turbo均衡技术研究.pdf

中文摘要 中文摘要 随着通信技术的迅猛发展和用户需求的不断增长，新一代无线通信需要提供 丰富的多媒体数据业务，这对通信系统频谱效率和服务质量( q o s ) 提出了更高的 要求。t u r b o 码在3 9 p p 协议中已经被正式提出应用。多输入多输出( m i m o ) 技 术能在不增加带宽的情况下，成倍提高系统的传输速率和传输质量。多径效应使 得信道失真导致码间干扰( i s i ) ，因此移动通信中需要使用均衡技术。t u r b o 均衡 器把均衡和译码很好地结合起来，显著地改善了系统性能。 本文着重研究t u r b o 编译码技术及其在均衡中的应用，以及在频率选择性 m i m o 信道中t u r b o 均衡的应用。论文的主要工作包括： 1 、详细分析宽带衰落无线信道动态特性，给出了系统传输模型，论述各种自 适应均衡技术在通信系统中的应用，对均衡器进行了分类，推导了均衡技术的基 本原理和相应准则，并给出典型均衡技术的性能仿真。 2 、研究并讨论t u r b o 码( 包括p c c c 和s c c c ) 的框架和基本原理，主要研究了 不同译码算法、迭代次数、交织长度、分量码和码率等参数对t u r b o 码性能的影响， 并对t u r b o 码在高斯白噪声信道下选用l o g - m a p 译码算法进行了仿真。 3 、分析了t u r b o 均衡的基本原理和基本框架，研究了t u r b o 均衡的基本算法， 并通过仿真对各算法性能进行了对比分析。对其中一种基于m m s e 的t u r b o 均衡 做了详细的讨论，分析其在p r o a k i s 经典信道下迭代次数对均衡的作用，仿真表明 基于m m s e 的均衡算法能使系统性能明显改善。 4 、研究t u r b o 均衡在频率选择性m i m o 信道中的应用。首先分析了m i m o 信 道模型，然后对一种应用在频率选择性m i m o 信道中的空时t u r b o 均衡做了详细 的研究，最后仿真实验证明该算法的有效性和可行性。 关键词：t u r b o 码，t u r b o 均衡，频率选择性m i m o 信道，3 9 p p ，l o g - m a p 译码 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e i n c r e a s i n g d e m a n d so fu s e r s ，t h en e x tg e n e r a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sn e e d st op r o v i d et h e m u l t i m e d i ad a t as e r v i c ea b u n d a n t l y t h i sr e q u i r e sh i g h e rs p e c t r a le f f i c i e n c ya n db e t t e r q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) o ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m i no r d e rt of u l f i lt h e s e r e q u i r e m e n t sm a n yp r o p o s a l sh a v eb e e np u tf o r w a r di n c l u d i n gt h ea p p l i c a t i o no ft u r b o c o d e si n3 g p ps t a n d a r d a n o t h e rn e wt e c h n o l o g y - m i m oc a ni n c r e a s et h ed a t a t r a n s m i s s i o nr a t ea n di m p r o v et h ed a t et r a n s m i s s i o n q u a l i t yw h i l em a i n t a i n i n g b a n d w i d t h t h ep r e s e n c eo fm u l t i p a t he f f e c to ft h ew i r e l e s sm o b i l ec h a n n e l ，w h i c hc a u s e s c h a n n e ld i s t o r t i o na n di n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i sas e r i o u sp r o b l e ma n de q u a l i z a t i o n t e c h n o l o g yi sw i d e l ya p p l i e d t u r b oe q u a l i z e rc o m b i n e se q u a l i z a t i o nw i t hd e c o d i n g , s i g n i f i c a n t l yi m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ef o r m e rs y s t e m t h i st h e s i sf o c u s e so nt u r b oe n c o d i n ga n dd e c o d i n gt e c h n o l o g ya n dt h e i r a p p l i c a t i o nt oe q u a l i z a t i o na n dt u r b oe q u a l i z a t i o na p p l i e di nf r e q u e n c y - s e l e c t i v e m i m oc h a n n e l s t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si n c l u d e s ： 1 t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si nb r o a d b a n dw i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l sa r e a n a l y z e d i n d e t a i l ，a n dt h es y s t e mt r a n s m i s s i o nm o d e li sg i v e n t h ec o m m o na d a p t i v e e q u a l i z a t i o nt e c h n o l o g i e sa r ed i s c u s s e da n dt h ee q u a l i z e r sa r ec l a s s i f i e d t h eb a s i c e q u a l i z a t i o nt h e o r i e sa n dp r i n c i p l e sa l ed e d u c t e d t h ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o no ft h e t y p i c a le q u a l i z a t i o na l g o r i t h m si sg i v e n 2 t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n ds t r u c t u r e so ft u r b oc o d e s ( p c c ca n ds c c ci n c l u d e d ) ， a r ed i s c u s s e da n ds t u d i e d t h e nt h ee f f e c to fd i f f e r e n tp a r a m e t e r so nt h e p e r f o r m a n c eo f t u r b oc o d e si sa n a l y z e d t h ep a r a m e t e r si n c l u d ed i f f e r e n td e c o d i n ga l g o r i t h m s ，i t e r a t i o n n u m b e r , i n t e r l e a v el e n g t h ，g e n e r a t o rp o l y n o m i a lo fc o m p o n e n tc o d e s ，c o d er a t e sa n ds o o n s o m es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so nt u r b oc o d e sw i t ht h el o g - m a p d e c o d i n ga l g o r i t h m i na w g nc h a n n e la led o n e 。 3 b a s i cp r i n c i p l e sa n ds t r u c t u r e so ft u r b oe q u a l i z a t i o na r ea n a l y z e d t h eb a s i c a l g o r i t h mf o rt u r b oe q u a l i z a t i o ni ss t u d i e d t h e nc o n t r a s ta n a l y s e so fa l g o r i t h m sa l e i i a b s t r a c t a l s om a d et h r o u g hs i m u l a t i o n a嘶oe q u a l i z a t i o nb a s e do nm m s ec r i t e r i ai s d i s c u s s e di nd e t a i l a n dt h ee f f e c to fi t e r a t i o nn u m b e ro ne q u a l i z a t i o ni nt h ec l a s s i c a l p r o a k i s c h a n n e li sa l s oa n a l y z e d s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t 眦oe q u a l i z a t i o n b a s e do nm m s ec r i t e r i ac a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fb e r s i g n i f i c a n t l y 4 t u r b oe q u a l i z a t i o na p p l i e di nf r e q u e n c y - s e l e c t i v em i m oc h a n n e l si ss t u d i e d a t f i r s tm i m oc h a n n e lm o d e l sa r ea n a l y z e d t h e nas p a c e t i m et u r b oe q u a l i z a t i o na p p l i e d i nf r e q u e n c y - s e l e c t i v em 蹦oc h a n n e l si ss t u d i e di nd e t a i l a tl a s ts i m u l a t i o n e x p e r i m e n t sa r em a d et ot e s t i f yt h ee f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h i sa l g o r i t h m k e y w o r d s ：t u r b oc o d e s ，t u r b oe q u a l i z a t i o n , f r e q u e n c y - s e l e c t i v em i m oc h a n n e l s ， 3 9 p p ，l o g - m a pd e c o d i n g i 图目录 图目录 图1 1m i m o 系统结构4 图1 2 不同天线数m i m o 系统容量6 图2 - lr ( 矽) 和兄( f ) 之间的关系1 3 图2 - lr m ( a t ) 和s ( u ) 之间的关系1 4 图2 2 数字通信系统及其等效框图1 6 图2 3 均衡器的类型、结构和算法18 图2 4 线性横式均衡器1 9 图2 - 6 判决反馈均衡器框图2 2 图2 7 盲自适应均衡器框图2 3 图2 8 发射信号星座图和接收信号星座图2 5 图2 - 9 线性均衡器输出星座图和m s e 学习曲线2 5 图2 1 0 判决反馈均衡器输出星座图和m s e 学习曲线2 6 图2 - 1 1 盲均衡器输出星座图和m s e 学习曲线2 6 图3 一ln 曲o 码编码器2 9 图3 - 2c d m a 2 0 0 0 标准分量码编码器3 0 图3 3s c c c 编码器3 0 图3 4h c c c 编码器结构图。3l 图3 5t u r b o 码( p c c c ) 译码器原理框图3 2 图3 - 6 软输入软输出译码器框图3 3 图3 7 信道模型3 3 图3 8 交织器原理示意图。3 8 图3 - 9 交织长度为5 1 2 时不同译码算法的性能比较4 0 图3 1 0 不同分量码组成的t u r b o 码性能比较4 0 图3 1 1 不同迭代次数对t u r b o 码性能的影响1 8 3 7 6 6 5 5 0 4 1 图3 1 l 不同交织长度对t u r b o 码性能的影响4 2 图3 1 2 不同码率的t u r b o 码性能变化曲线4 2 图4 _ 1i s i 信道等效离散时间模型4 5 图4 _ 2 典型i s i 信道的冲激响应4 5 图目录 图4 3t u r b o 均衡的原理图4 6 图4 4m a p 均衡原理图4 7 图4 5 信道状态转移图4 8 图4 - 6 基于m m s e 准则的t u r b o 均衡原理图4 9 图4 - 7m m s e 判决反馈t u r b o 均衡算法5 2 图4 8 不同均衡算法的性能曲线5 4 图4 9 不同迭代次数的性能曲线5 4 图5 1m m o 系统5 6 图5 2 空时m i m ot u r b o 均衡5 8 图5 3m i m ot u r b o 均衡性能仿真图6 l 图5 - 4m ot u r b o 均衡性能仿真图6 2 i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以柱t j c - 3 e 和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：煎2 廛耋日期：加。孑年午月剐日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：仂形年勿月纠日 第一章绪论 第一章绪论 世界已经进入了信息时代，移动通信已经成为信息时代的重要标志。移动通 信的飞速发展使人类实现个人通信的理想很近了，即在任何时间，任何地点，向 任何人提供快速可靠的通信服务。本章将主要介绍宽带通信技术的发展，简单介 绍m i m o 技术、t u r b o 码及t u r b o 均衡技术的特点及研究现状。 1 1宽带移动通信技术的发展 自从1 9 7 8 年，贝尔实验室首先研制的a m p s 蜂窝移动通信系统在芝加哥试验 成功，移动通信便进入公用通信领域并开创了移动通信的新纪元。蜂窝技术 ( c e l l u l a rt e c h n o l o g y ) 是移动通信的关键技术，也是个人移动通信的技术基础。 通信技术作为信息传输的手段，在各种信息技术中起着支撑作用，因而世界各国 都在致力于现代通信技术的开发及现代综合通信网的建设。通信技术的发达程度 成为一个现代国家发达程度的标志。 移动通信的发展，可以追溯到2 0 世纪2 0 年代，仅有不到1 0 0 年的时间。从 早期简单的点对点移动通信到今天复杂的蜂窝通信，移动通信的发展总是遵循着 这样的规律：社会的需求促进技术的发展，而技术的发展又反过来促进社会新的 进步。目前商用移动通信系统的发展大致分为第一代、第二代、第三代移动通信 系统，第四代移动通信系统的发展已经提上日程【l 3 】。 第一代移动系统即模拟式通信系统，开始于二十世纪七十年代到八十年代初 期。蜂窝小区设计技术的应用是第一代无线通信系统o g ) 诞生的标志。典型的应用 例子美国的现代移动电话系统a m p s ( a d v a n c em o b i l ep h o n es e r v i c e ) 。它采用频 分多址，每个3 0 k h z 的信道传送一路f m 调制的话音。起初f c c 向该系统分配了 4 0 m h z 的频谱，在该业务推广后没多久就增至5 0 m h z 以容纳更多的用户。系统的全 部频带分为两个2 5 m h z ，一半用于移动台到基站的信道，另一半用于基站到移动台 的信道。f c c 又将这些信道分为两套，分别提供给每个城市的两个不同的运营商 以鼓励竞争。欧洲与a m p s 类似的系统是t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 。a m p s 于2 0 世纪8 0 年代在全球范围内铺开，目前在一些地区包括美国 的一些乡村，这仍然是唯一可用的蜂窝系统。 电子科技大学硕士学位论文 第二代移动通信系统即数字式通信系统。数字通信系统是伴随着数字信号处 理、大规模集成电路和其他制造技术的发展而产生的，它开始于二十世纪9 0 年代。 主要的代表系统有：欧洲全球移动通信系统g s m ( 1 9 9 1 年) ，美国通信工业协会 ( m ) 颁布的i s 9 5 ( 1 9 9 4 年) ，英国的无绳电话系统c t 2 ( 1 9 8 9 年) ，欧洲电信标 准协会( e t s i ) 制订的数字无绳电话d e c t ( 1 9 9 2 年) 等。第二代系统较好满足了人 们对于语音传送的基本要求，短短十几年时间便已遍及全球各地，成为人们日常 生活中不可或缺的通信手段之一。2 0 系统采用数字调制技术和先进的呼叫处理技 术及新的网络机构。其系统结构在第一代移动通信系统的基础上增加了基站控制 器( b s c ) 或者功能类似的单元，从而大大降低了m s c 的处理负担，使系统结构 更为合理。与1 g 相比，2 g 还具有以下优点：采用微蜂窝小区结构及数字化技术， 引入新的调制方式：g m s k 、q p s k ，引入t d m a 、c d m a ，提高了频谱利用率和 用户容量，能提供更多种的业务，降低了开发成本，提供更有效的管理和更优质 的服务。第二代移动通信系统后来都增强以支持高速分组数据业务。g s m 通过把 所有时隙分配给一个用户的方法使数据速率达至u 1 4 0 k b i t s ，这种增强型版本称为 g p r s 。另外一种更为彻底的g s m 增强型是e d g e ( e n h a n c e dd a t as e r v i c e sf o rg s m e v o l u t i o n ) ，它通过采用编码高阶调制，将数据速率提高至u 3 8 4 k b i t s 。因为高阶调 制对衰落敏感，所以e d g e 采用了自适应技术来抑制衰落的影响。e d g e 具体定义 了九种不同的调制编码组合，每一种适合于一定的接收信噪比范围。接收端测量 出接收信噪比，将其反馈给发送端，发送端依据这个反馈选择适合的调制编码组 合进行发送。i s 一9 5 系统采用捆绑扩频码的方法使数据速率达至u l l 5 k b i t s 。第二 代移动通信系统由最初的主要提供话音业务，到后来逐渐演迸到可以提供电子邮 件、互联网接入、短消息等数据业务。然而，由于移动通信的迅速发展，人们对 第二代移动通信系统提供的业务和功能越来越高。因此，以大容量、高数据率和 承载多媒体业务为主要目的第三代( 3 g ) 无线移动通信系统出现在了历史的舞台。 第三代移动通信系统( 3 g ) 都是基于宽带c d m a 的，它由国际电信联盟 ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ，i t u ) 发起，称为国际移动通信2 0 0 0 标 准( i n t e m a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s2 0 0 0 ，i m t - 2 0 0 0 ) 。盯- 2 0 0 0 根据不同 的移动性和用户位置提供不同的数据速率：步行3 8 4 k b i t s 、汽车1 4 4 k b i t s 、室 内2 m b i t s 。i m t - 2 0 0 0 包括三大标准：欧洲和日本支持的w c d m a ，美国提出的 c d m a 2 0 0 0 和中国与西门子等公司提出的t d s c d m a 等。3 g 中在无线传输方面采 用了比2 g 更为有效的技术，为了克服c d m a 中的多址干扰，采用多用户检测、 智能天线、多天线分集等技术改善性能；为了实现与业务动态特性的匹配，3 g 中 2 o 第一章绪论 采用了可实现不同速率业务间正交性能的o v s f 码；针对数据业务要求误码率低 且实时性要求不高的特点，对数据业务采用性能更优良的t u r b o 编码。第三代移动 通信系统能够很好地支持大量的不同业务，并可以方便的引入新业务。 3 g 的主要业务是在2 g 提供的话音数据基础上，进一步提供包括数据、语音、视 频和图像在内的多种业务，部分实现移动通信的宽带化和多媒体化。3 g 标准和2 g 的系统不能兼容，运营商必须要先投资建立一个全新的基础设施，然后才能提供 3 g 业务。在2 0 0 1 年，日本的n t td o c o m o 公司采用w c d m a 方案，率先提供 3 g 业务。 第四代移动通信系统( b 3 go r4 g ) 的研究是随着第三代移动通信系统的发展 而提出的。国际电信联盟( r r 早在1 9 9 9 年9 月就把“i m t - 2 0 0 0 及其以后的系统 ( b e y o n di m t - 2 0 0 0 ) 的研究和标准化问题列入r r u r 的工作计划中。b 3 g 的研 究现已成为国际性的研究热点，日本n 兀d o c o m o 、美国q u a l c o m m 、德国 s i e m e n s ，以及韩国s a m s u n g 、e t r i 等国际知名企业和研究机构都开展了对b 3 g 技术的研究。2 0 0 1 年8 月，以欧美5 大通信设备制造商( 法国阿尔卡特、瑞典爱 立信、美国摩托罗拉、芬兰诺基亚、德国西门子) 为中心成立了无线世界研究论 坛( w w r f ) ，该论坛作为全球范围内探讨、研究4 g 标准的一个非营利组织，正 在积极推进4 g 系统标准的制定以及相关技术的发展。目前，欧盟已经把第四代移 动通信系统列入了“第六框架研究计划 ，2 0 0 3 年4 月2 4 日启动第一阶段的研究 项目。我国在2 0 0 1 年启动的“十五 8 6 3 重大研究计划项目中专门设立了面向4 g 的f u t u r e 计划，该计划的研究目标是在新技术产生的初期，对国际主流核心技 术的发展以及知识产权的形成有所贡献，实现移动通信技术跨越式发展，开展高 技术研究和试验，侧重于可实现性的关键技术开发与演示，并于2 0 0 5 年底进行关 键技术的演示。一般认为第四代移动通信系统应该具有如下特征：信息传输速率 更快、带宽更宽、容量更大、智能性更高、兼容性更强、能实现更高质量的多媒 体通信。因此第四代移动通信系统是一种实时的、宽带的以及无缝覆盖的多媒体 无线通信方式。技术的发展将使b 3 g 实现第三代移动通信系统未能实现的功能， 实现真正意义上的个人通信。要实现b 3 g 期望的目标，就必须开辟新的频带和带 宽，采用更为先进的宽带信号处理技术，寻找提高频谱效率的解决方案。目前b 3 g 研究的热点主要集中在o f d m 、m i m o 、链路自适应技术、高效的编码调制技术 和先进的发送接收技术等。 3 电子科技人学硕十学位论文 1 2m i m o 系统概述 f o s c h i n i 等人将香农信道容量c = b l o g ：( 1 + y ) 扩展到多天线系统，理论上证明 了多天线技术通过引入空间资源来提高信息传输效率的巨大能力【4 1 。多天线技术即 m i m o 技术的核心在于利用多个天线将时域和空域结合起来进行空时信号处理，通 过空时编码可以获得分集增益和复用增益。m i m o 技术可以提高下行数据率，该技 术在基带处理部分需要多信道选择( m c s ) 功能来定义天线传播模型，根据用户 业务请求等级不同和信道质量情况配置不同的信道。如果基站有m 个发射天线，用 户终端u e 有n 个接收天线，那么基站与用户终端之间的下行发射通道有m x n 个。 m i m o 通信系统是在发射端和接收端均有多个天线通道的通信系统。m i m o 系 统能综合使用发射分集和接收分集技术，大大增加了天线的分集增益。其典型的 结构如图1 1 所示。该系统有n 个发射天线和m 个接收天线。 编码 调制 加权映射 n 信道 h 加树反映射 解调 解码 n 个发射天线 m 个接收天线 特流 图1 1m i m o 系统结构 系统容量是表征通信系统性能的最重要标志之一，在接收端错误概率可以任 意小的条件下，通信链路可以达到的最大的信息传输速率称为信道容量。信道容 量给出了在特定信道条件下，通信双方之间信息传输速率上界。m i m o 技术的一 个重要的特点就在于它可以大大地增加系统的容量，文献【5 】中详细论述了m i m o 系统是怎样提高系统容量的： 对于一个单天线系统即单输入单输出( s i s o ) 系统，容量的香农公式给定： c = l o g ，( 1 + ph ) b s h z( 1 - 1 ) 其中，h 表示固定无线信道的归一化复增益，p 表示单天线的信噪比。 如果发射端使用单个天线，接收端使用多个天线，这种天线系统称为单输入 多输出( s l m o ) 系统，相应的分集称为接收分集。通过在接收端采用最佳合并来 4 第一章绪论 改善接收端的信噪比( s n r ) ，从而提高信道的容量和频谱的使用效率，此时信道 容量为： c ：1 。g ：( 1 + p m 蚶) b 泪z ( 1 2 ) 其中，绣表示接收天线f 的增益。 如果发射端使用多个天线，接收端使用单个天线，称为多输入单输出( m i s o ) 系统，则相应的分集称为发射分集。此时信道容量为： c = 1 0 9 2 ( 1 + 告蚶) b s h z ( 1 3 ) 2 i = l 其中，除以实现的归一化是为了保证系统总发射功率不变。 如果在无线通信系统的两端都使用多个天线，称之为多输入多输出( m i m o ) 系 统，它是s i m o 和m i s o 系统的发展和演变。m i m o 系统能综合使用发射分集和 接收分集技术，大大增加了天线的分集增益。这样，m i m o 系统的信道容量为： = l 0 9 2 d e t ( i j ! i ，+ - - 。- ，- yh h 月) 】b s h z ( 1 4 ) v 其中，上标“h 表示共轭转置，h 为( m n ) 阶的信道矩阵。注意，( 1 3 ) 和( 1 4 ) 式均是基于n 个等功率( e p ) 非相关源而得出。不同数目发射和接收天线 的m i m o 系统所对应的信道容量仿真如图1 2 所示。 多径效应会引起衰落，在传统通信系统中被视为有害因素，然而对于m i m o 系统来说，m 1 m o 技术有效地利用了随机衰落和可能存在的多径传播，能够将存 在的多径不利因素变成对用户通信性能有利的增强因素，来成倍地提高业务传输 速率，突破了传统的单输入单输出信道容量的瓶颈。因此，m i m o 技术已成为无 线通信领域的一大研究热点，在b 3 g 或4 ( 3 、p a n 、w l a n 和w a n 等无线通信系 统中有着广阔的应用前景。 5 电子科技大学硕士学位论文 $ n r 攀辩 图i - 2 不同天线数m i m o 系统容量 1 3t u r b o 码研究现状 香农理论证明，随机码是好码，但是它的译码复杂度太高。随机码理论多年 来一直是作为分析与证明编码定理的主要方法，但是如何在构造码型上发挥作用 却并未引起足够的重视。直到1 9 9 3 年，t u r b o 码的发现才展现了香农随机码理论 的重要内涵，为其应用研究奠定了基础。 c b e r r o u 等人首先于1 9 9 3 年在其经典文献中提出了一种性能和香农限只差零 点几个分贝的高性能编码，即t u r b o 码【6 】。j h a g e n a u e r 7 ：在其文献中，系统的阐明 了迭代译码的原理，并推导了二进制分组码和卷积码的软输入软输出( s i s o ) 译 码算法。s b e n e d e t t o 等人提出了均匀交织( u i ，u n i f o r mi n t e r l e a v e r ) 【8 】的概念， 同时利用联合界技术给出了t u r b o 码的平均性能上界f 9 】。d d i v s a l a r 等人也根据卷 积码的转移函数，给出了t u r b o 码采用m l d 时的误比特率上界【1 0 1 。对于t u r b o 码 来说，标准联合界在s n r 较小时比较宽松，只有在s n r 较大时才能实现对t u r b o 码性能的度量。因此，t m d u m a n 、i s a s a n 和d d i v s a l a r 等人在g a l l a g e r 限等已有 性能界技术的基础上进行改进，扩展了t u r b o 码性能界的紧致范卧1 1 d 4 1 。s b w i c k e r 6 第一章绪论 【l5 】等人对t u r b o 码以及更为一般化的基于图的具有迭代译码算法的编码进行了研 究。许多文献研究了串行级联码和并行级联码的性能【1 2 】【1 6 】【1 7 1 ，在时延及复杂度相 当的情况下，这两种码的性能都很好。某些情况下，串行级联码在很低误比特率 是性能更好，背景误码也比较低。 t u r b o 码是信道编译码发展的必然产物，是信道编码理论与技术研究上所取得 的最伟大的技术成就，具有里程碑的意义。 目前t u r b o 码的研究主要集中在以下几个方面：t u r b o 码编码理论的研究、 t u r b o 码译码算法的研究和交织器的研究、t u r b o 码在衰落信道中的应用、t u r b o 码和其他技术的结合。其中t u r b o 码和均衡技术的结合，产生的t u r b o 均衡技术将 是本文研究的一个重点。 1 4t u r b o 均衡的研究现状 1 4 1单载波t u r b o 均衡 近年来，随着t u r b o 码技术的成熟，受到c b e r r o u 等人提出的t u r b o 6 】思想的 启发，c d o u i l l a r d 等【l8 】提出了基于单发单收系统中的t u r b o 迭代均衡的思想，即 n 曲o 均衡技术。1 r l 曲o 均衡技术不再是均衡器和译码器相互独立，而是采用了类 似t u r b o 译码迭代译码的方式，将均衡与t u r b o 译码有机的结合起来，这样来消除 由多径效应引起的符号间干扰( i s i ) 以达到理想的性能。 t u r b o 均衡的主要原理是将i s i 信道( 等价于一个卷积码) 、交织器及信道编码 的组合看成是一个串行级联的卷积码，在接收端进行迭代的均衡和译码，把用于 解码的两个并列的软输入软输出解码器中的一个稍作修改，将其原来的解码功能 改为软输入软输出的均衡功能，另一个软输入软输出解码器仍用于解码。这样该 均衡器与解码器都可以处理输入的先验信息，输出处理后的更为精确的后验信息， 而输出的后验信息经过交织或解交织后，又可作为彼此的先验信息，实现外信息 在均衡器和信道译码器之间的迭代传递，从而获得近似最优的性能【6 】【1 8 1 9 1 。 在单载波系统中，t u r b o 均衡的算法有软干扰抵消算法( s i c ) 、m a p 均衡算 法、基于m m s e 的线性均衡算法( m m s e l e ) 以及基于m m s e 的判决反馈均衡 法( m m s e d f e ) 。gb a u e h 等对提出的基于m a p 算法的t u r b o 均解1 9 】进行了详 细的论述，并对其做了仿真，证明基于m a p 算法的优越性；同时在这篇文章中也 讨论了三种停止准则，用于减少迭代次数的同时对系统的性能无影响。x w a n g 等 在文酬2 0 】中，提出了把m m s e 和s i c 相结合t u r b o 均衡算法应用到c d m a 信道 7 电子科技大学硕士学位论文 中，用于消除多址接入干扰( m a i ) 和符号间干扰( i s i ) ，这种t u r b o 均衡算法在 降低复杂度的同时能显著改善系统的性能。d r e y n o l d s 等【2 i 】在x w a n g 等【2 0 】基础 上，把低复杂度的基于m m s e 的t u r b o 均衡算法，应用到严重的、频率选择性的 i s i 信道中，在降低计算复杂度的同时，能够显著的抑制i s i 信道。徐俊等【2 2 】对以 上提到的几种t u r b o 均衡算法进行了比较，同时重点对三种基于m m s e 的t u r b o 均衡算法进行了研究，给出了基于m m s e 的t u r b o 均衡算法在p r o a k i s b 信道中的 仿真，结果证明基于m m s e 的算法能极大抑制i s i 。 1 4 2m i m ot u r b o 均衡 m i m o 系统实现大容量的前提是接收机能对来自各发送天线信号进行很好的 去相关处理。而要进行较准确的去相关处理来恢复信号，使接收端有较准确的信 道信息，以正确地恢复被干扰和噪声污染的信号，这种技术我们称为均衡。 由于m i m o 通信系统中存在大量的符号间干扰( i s i ) 和多址接入干扰( m a i ) ， 因此t u r b o 均衡应用在m i m o 通信系统中有很重要的意义。我们已经研究了单载 波情况下的t u r b o 均衡的问题，现在问题的关键是如何将t u r b o 均衡应用在多载波 系统中。a b et 等【2 3 】将r e y n o l d s 和w a n g 提出的应用于频率选择衰落的迭代均衡 算法以及w a n g 和p o o r 提出的基于c d m a 系统的多用户检测进行推广，得到了应 用于频率选择性m i m o 信道的空时t u r b o 均衡器。g u o 等【2 4 】提出在发射端或接收 端采用m i m of i r 分离器，将m i m o 信道变换为并行的单输入单输出的子信道， 这样在单入单出的子信道上就可以使用基于单载波的t u r b o 均衡，从而降低接收机 复杂度；文献【2 5 】提出了基于m a p 和基于m m s e 准则的m i m o 内均衡器的m i m o t u r b o 均衡方案，抑制共道干扰( i c i ) 和i s i ，均衡器的复杂度会随着发射或接收天 线数或m i m o 信道的阶数增加而增加。 在这几种t u r b o 均衡算法中，m a p 准则是最优准则，因为它是基于码元是误 码率最小的算法，因此性能最好；然而在算法中涉及到大量的对数和乘法运算， 算法的复杂度极高，不利于工程实现。在实际应用中基于m m s e 的均衡算法不失 为较为理想的选择，因为其复杂度较m a p 算法大大降低，而且性能与m a p 算法 相差不大。这样，寻找一种能满足系统性能要求而复杂度又比较低的t u r b o 均衡算 法，是现在研究t u r b o 均衡的目标和热门问题。 8 第一章绪论 1 5本文主要工作 n 曲o 码是3 g 移动通信系统中的关键技术之一，而t u r b o 均衡是t u r b o 码编 译码技术的一种应用，因此我们对t u r b o 码和t u r b o 均衡技术的研究有很重要的现 实意义。在宽带m 1 m o 通信系统中，由于存在i s i 和m a i ，因此t u r b o 均衡应用在 m i m o 系统中就有很重要的价值。 本文的课题来源于电子科技大学与l g k a i s t 中韩合作项目“收发多天线技 术在3 g 和b 3 g 中的应用( m i m os m a r ta n t e n n as y s t e m sf o r3 ga n db e y o n d3 g ) 的一个研究子课题。其中课题主要关注以下几个方面：空时多天线技术、新型编 码技术如t u r b o 码等的研究、新型均衡技术如t u r b o 均衡等的研究、智能天线技术。 本文主要做了如下的工作： 第一章：介绍了移动通信技术的发展历程，对m i m o 系统进行了简要介绍， 对t u r b o 码和t u r b o 均衡的研究现状进行了分析。 第二章：详细分析宽带衰落无线信道动态特性，给出了系统传输模型，论述 各种自适应均衡技术在通信系统中的应用，对均衡器进行了分类，推导了均衡技 术的基本原理和相应准则，并给出典型均衡技术的性能仿真。 第三章：对t u r b o 编译码原理进行了阐述，分析了常用的几种译码方法，研究 了不同译码算法、迭代次数、交织长度、分量码和码率等参数对t u r b o 码性能的影 响，并对t u r b o 码在高斯白噪声信道下选用l o g - m a p 译码算法进行仿真； 第四章：重点研究t u r b o 均衡，对t u r b o 均衡的各种算法进行了详细的讨论， 比较在不同算法下仿真效果的差异。重点研究一种基于m m s e 算法的t u r b o 均衡， 研究其在p r o a k i s 信道下进行仿真的性能，同时研究迭代次数对均衡性能的影响。 仿真表明低复杂度的基于m m s e 的t u r b o 均衡算法能使系统性能明显改善。 第五章：分析了m i m o 系统模型，重点对在频率选择性m i m o 信道中基于 m m s e 的空时t u r b o 均衡进行研究，给出了如何在m i m o 系统中进行t u r b o 均衡 的算法，给出了仿真，验证了方案的有效性和可行性。 第六章：结论与展望。 9 电子科技大学硕士学位论文 第二章无线通信中的均衡技术 信道是