（信息与通信工程专业论文）移动通信快速译码研究及软计算方法在其中的应用.pdf

摘要 移动通信快速译码研究及 软计算方法在其中的应用 摘要 随着数字通信技术的发展，人们对移动通信系统的要求越来越高，未来的移 动通信系统对无线信道中数据的传输速率以及可靠性都会有更高的要求。信道编 码技术和多天线技术是解决这些问题的有效方法，特别是这两种技术的结合更是 研究的热点，该技术很有可能成为下一代无线移动通信系统的核心技术。 论文深入研究信道编码技术和多天线技术以及软计算方法在其中的应用，其 主要内容包括：移动信道的主要特性：软计算方法及其在移动通信译码中的应用； t u r b o 乘积码的编码原理及其迭代译码方法；多天线系统空时编码及其译码技术； 多天线系统中信道译码与空时解码的联合译码：神经网络并行v i t e r b i 译码器。 首先，论文研究和总结了衰落信道的主要类型及其特点，并对j a k e s 信道模 型的传输特性进行了仿真，研究神经网络在分组码的译码、t u r b o 码译码、信道 均衡、多用户检测器中的应用，总结了遗传算法在线性分组码软判决译码、卷积 码的译码、多用户联合检测中的应用。 对t u r b o 乘积码的编码原理和基于循环伪最大似然的译码算法进行详细的 研究分析，并在加性白高斯噪声信道环境中进行t u r b o 乘积码误码率性能的大量 仿真。提出一种乘积码的并行迭代译码方法。 通过空时编码和检测算法，可以有效利用多天线系统的系统容量，从而提高 系统的频谱利用率，增加数据的传输速度。分析了分层空时码、空时格码和空时 块码的构造准则，并详细探讨和仿真了v - b l a s t 系统的多种信号检测算法，包括 常用的z f 迫零法、m m s e 检测算法以及相应的干扰消除算法，并着重分析了球形 解码算法。空时解码检测方法上结合软计算方法，提出一种遗传算法预搜索的球 申请上海交通大学工学博士学位论文 形解码，该方法融合了遗传算法的并行处理的长处和球形解码能够达到最大似然 性能的优点，同时克服了遗传算法在搜索末期效率降低和球形解码计算复杂度大 的缺点。 对多天线系统中信道译码与空时解码的联合优化译码技术进行研究，从提高 系统整体性能的角度出发，研究结合信道译码的球形解码的有效算法。对联合处 理的结构和算法进行了研究，空时解码和信道译码都利用对方提供的新信息经过 几次迭代来提高自身的检测和译码性能，空时解码和信道译码两个模块间通过迭 代交换软信息，能够有效地综合利用多天线系统的特性和信道编码的特性。研究 v - b l a s t 系统的信号检测中改进的球形解码算法，该算法能够为信道译码部分提 供软信息输出。提出可以利用信道编码产生的码问距离降低球形解码复杂度，提 出基于许用码字格点搜索的球形解码方法。 设计一种采用模拟和数字混合设计结构的基于神经网络的v i t e r b i 译码器， 具有全并行结构，速度快于纯数字结构的译码器，分支度量和“加比选”由全并 行结构的神经网络完成，丽寄存器交换等采用并行的数字电路，很适合在v l s i 中的应用。 最后，论文给出了信道编码和空时编码系统中关键技术的进一步研究方向和 j 展望。相信经过众多专家和学者的共同研究，必将使信道编码和空时编码系统中 的各项技术更加完善，更好地应用到下一代移动通信系统中去。 关键词：t u r b o 乘积码，空时码，球形解码，联合译码，遗传算法，神经网络， 软计算 a b s t r a c t r e s e a r c ho n f a s td e c o d i n gi nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n w i t h a p p l i c a t i o no fs o f tc o m p u t i n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a lc o m m t i n i c a t i o nt e c h n i q u e s ，t h ed e m a n df o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi n c r e a s e s g r e a t l y c h a n n e lc o d i n ga n dm u l t i p l e a n t e n n a st e c h n i q u e sa r ee f f e c t i v es o l u t i o n sf o rr e l i a b l eh i g hs p e e dd a t at r a n s m i s s i o n o v e rw i r e l e s sc h a n n e lw h i c hi se s s e n t i a li nf u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s e s p e c i a l l y ，c o m b i n i n gc h a n n e lc o d i n gw i t hm u l t i p l ea n t e n n a st e c h n i q u e sh a sa a r a c t e d m u c ha t t e n t i o n ，a n di ti sc e r t a i n l yg o i n gt ob et h ec o r et e c h n i q u e si nt h en e x t g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ， t h ed i s s e r t a t i o nw i l lf o c u so nc h a n n e lc o d i n g ，m u l t i p l ea n t e n n a st e c h n i q u e sa n d a p p l i c a t i o no fs o f tc o m p u t i n g ，i n c l u d i n gc h a r a c t e ro f m o b i l ec h a n n e l s ；a p p l i c a t i o no f s o f tc o m p u t i n gi nd e c o d i n gf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ；c o d i n gt h e o r yo ft u r b o p r o d u c tc o d e sa n di t e m t i v ed e c o d i n gm e t h o d ；t h es p a c e - t i m ec o d i n ga n dd e c o d i n g b a s e do n m u l t i p l et r a n s m i ta n t e n n a s ；c o m b i n a t i o no fs p a c e t i m ed e t e c t i o na n dc h a n n e l d e c o d i n g i nm u l i l l ： l et r a n s m i ta n t e n n a ss y s t e m s ；n e u r a ln e t w o r k sb a s e d p a r a l l e l v i t e r b id e c o d e r f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h ec h a r a c t e ro fm a n yk i n d so ff a d i n g c h a n n e l s ，s i m u l a t e st r a n s m i s s i o np r o p e r t yo fj a k e sc h a n n e lm o d e l ，s t u d i e st h e a p p l i c a t i o no fn e u r a ln e t w o r k si nb l o c kc o d e sd e c o d i n g ，t u r b oc o d e sd e c o d i n g ， c h a n n e le q u a l i z a t i o n ，m u l t i u s e rd e t e c t i o n , a n ds t u d i e st h e a p p l i c a t i o no fg e n e t i c a l g o r i t h mi nb l o c kc o d e sd e c o d i n g ，c o n v o l u t i o n a ld e c o d e ra n dm u l t i u s e rd e t e c t i o n t h ed i s s e r t a t i o na n a l y s e si nd e t a i lt h ec o d i n gt h e o r yo ft u r b op r o d u c tc o d e ，a n d t h ec y c l e2p s e u d om a x i m u ml i k e l i h o o dd e c o d i n ga l g o r i t h m t h ed i s s e r t a t i o na l s o s i m u l a t e st h eb e rp e r f o r m a n c eo ft u r b op r o d u c tc o d e ss y s t e mi nt h ea w g nc h a n n e l e n v i r o n m e n t s ap a r a l l e li t e r a t i v ed e c o d i n gm e t h o df o rt u r b op r o d u c tc o d ei s p r e s e n t e di nt h ed i s s e r t a t i o n b ye m p l o y i n gs p a c e t i m ec o d i n ga n di t s d e t e c t i o na l g o r i t h m s ，h i g hc h a n n e l c a p a c i t yc a nb er e a l i z e da n ds y s t e m s s p e c t r a le f f i c i e n c ya n dd a t ar a t ea r ee f f i c i e n t l y i m p r o v e d c r i t e r i o n sf o rc o n s t r u c t i n gl a y e rs p a c e t i m e ，s p a c e - t i m et r e l l i sc o d ea n d i i i 申请上海交通大学工学博士学位论文 s p a c e - t i m eb l o c kc o d e a r ea n a l y z e d ，s e v e r a ls i g n a ld e t e c t i o na l g o r i t h m sf o rv b l a s t s y s t e m s ，i n c l u d ez f ，m m s e ，z f i c ，m m s e i ca n ds p h e r ed e c o d i n g ，a r ed i s c u s s e di n d e t a i la n ds i m u l a t e d t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ec o m b i n a t i o no f s p a c e - t i m ed e t e c t i o n a l g o r i t h m sw i t l ls o f tc o m p u t i n ga n dp r e s e n t sas p h e r ed e c o d i n ga l g o r i t h mu s i n g g e n e t i ca l g o r i t h mp r e - s e a r c h ，t h i sm e t h o dc o m b i n e st h ea d v a n t a g eo fp a r a l l e lo f g e n e t i ca l g o r i t h ma n dm lp e r f o r m a n c eo fs p h e r ed e c o d e r ，m e a n w h i l eo v e r c o m e st h e d i s a d v a n t a g eo ft h el o we f f i c i e n c y a tt h el a s ts t a g eo fg e n e t i ca l g o r i t h ma n dt h e c o m p l e x i t yo fs p h e r ed e c o d i n g t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ej o i n to p t i m i z a t i o no fs p a c e - t i m ed e t e c t i o na n d c h a n n e l d e c o d i n g i n m u l t i p l e a n t e n n a ss y s t e m s i tf o c u s e so ne f f e c t i v e s p h e r e d e c o d i n gd e t e c t i o na l g o r i t h m si nc o m b i n a t i o nw i t hc h a n n e ld e c o d i n gt oi m p r o v e e n t i r ep e r f o r m a n c e a ni n t r o d u c t i o no ft h i si t e r a t i v es t r u c t u r ea n dt h ea l g o r i t h m so f j o i n ts p a c e - t i m ed e t e c t i o na n dc h a n n e ld e c o d i n ga r eg i v e n t h ei t e r a t i v er e c e i v e rt h a t m a i n l yc o n s i s t so fs i s o ( s o f t i ns o f t - o u t ) s p a c e - t i m ed e t e c t i o na n ds i s oc h a n n e l d e c o d i n gi sc o n s i d e r e da saf e a s i b l es c h e m ef o rt h ep r o b l e mo fj o i n td e t e c t i o na n d d e c o d i n g ，w h e r eb o t hs i s os p a c e - t i m ed e t e c t i o na n ds i s oc h a n n e ld e c o d i n gr a i s et h e p e r f o r m a n c ew i t hn e wi n f o r m a t i o na b o u tc o d es y m b o lf r o mt h eo t h e ro n ea n dt h e w h o l ec a p a b i l i t y a p p r o a c h e so p t i m u ma f t e r s e v e r a li t e r a t i o n s a l s oam o d i f i e d v - b l a s ts p h e r ed e c o d i n ga l g o r i t h mi si n v e s t i g a t e dt og e n e r a t et h es o f tv a l u ef o r c h a n n e ld e c o d e r as p h e r ed e c o d i n ga l g o r i t h mb a s e do ns e a r c h i n go v e rl a t t i c eo f l e g a l i t y c o d e si s p r e s e n t e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n i t s c o m p l e x i t y i sr e d u c e d b y c o n s i d e r i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e nc o d e sf r o mc h a n n e lc o d i n g a h y b r i ds c h e m ei n t e g r a t i n ga n a l o ga n dd i g i t a lm e t h o d s i sp r e s e n t e dt od e s i g na v i t e r b id e c o d e rb a s e do nn e u r a ln e t w o r k s d u et oi t sf u l l yp a r a l l e la r c h i t e c t u r e ，n e u r a l n e t w o r k sb a s e dv i t e r b id e c o d e ri ss i g n i f i c a n t l yf a s t e rt h a nt h ep u r e l yd i g i t a ld e c o d e r t h ef u l l yp a r a l l e ls t r u c t u r ei so b t a i n e db yi m p l e m e n t i n gt h eb r a n c hm e t r i cc a l c u l a t i o n a n da d d - c o m p a r e s e l e c t ( a c s ) u s i n gt h en e u r a ln e t w o r k sw h i l et h er e g i s t e re x c h a n g e u s i n gp a r a l l e ld i g i t a lc i r c u i t s t h eh y b r i dv i t e r b id e c o d e ri sm o r es u i t a b l ef o rv l s i i m p l e m e n t a t i o n f i n a l l y ，t h ed i s s e r t a t i o ng i v e st h ef u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o no f t h et e c h n i q u e si n c h a n n e ld e c o d i n ga n ds p a c e t i m ec o d i n gs y s t e m s i ti sc e r t a i nt h a tt h ec h a n n e l d e c o d i n ga n ds p a c e - t i m ec o d i n gw i l lb eu t i l i z e di nt h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nf u t u r e k e yw o r d s ：t u r b op r o d u c tc o d e ，s p a c e t i m ec o d e ，s p h e r ed e c o d i n g ，j o i n t d e c o d i n g ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，n e u r a ln e t w o r k ，s o f tc o m p u t i n g i v - 英文缩略语表 3 gt k i r d - g e n e r a t i o u 3 g p p a c s a p p b e r c d m 【a c s c y c l i c 2p m l d b l a s t g a g s m i i - b l a s t 删n i m 陌2 咖 删 英文缩略语表 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t a d d - c o m p a r e - s e l e c t ap o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y b ne r r o tr a t e c o d e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o m p a r e - s e l e c t c y c l i c2p s e u d om a x i m u ml i k e l i h o o d d i a g o n a lb l a s t g e n e t i ca l g o r i t h m g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n h o r t z o n t a lb l a s t h o p f l e l dn e u r a ln e t w o r k h t e r a 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 n2 0 0 0 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 nu n i o n l l r l o gl i k e l i h o o dr a t e m 嚏i m 【a _ p m i m 0 m 臣 m m s e m q a m n n m u l t i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c e m a x i m u map o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y m u l 廿p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o d 第三代 第三代移动通信协作组 相加、比较、选择 后验概率 误比特率 码分多址 比较、选择 循环2 次伪最大似然 对角分层空时码 遗传算法 全球移动通信系统 水平分层空时码 h o p f l e l d 神经网络 国际移动电信2 0 0 0 国际电信联盟 对数似然比 多址干扰 最大后验概率 多输入多输出 最大似然 m i n i m u mm e a ns q u a r e de r r o r 最小均方误差 m u l t i p l eq u a d r a t u r e a m p l i t u d em o d u l a t i o n 多重正交幅度调制 n e u r a ln e t w o r k 神经网络 - v - 申请上海交通大学工学博士学位论文 o f d m p a m p c c c p m l q p s k s c c c s d s i s o s n r s o 、值 s t b c s t c s r r c t c c t c m t p c v ：b l a s t v l s l o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n p a r a l l e lc o n e a t e n a t e dc o n v o i n t i o n a lc o d e s p s e u d om a x i m u ml i k e l i h o o d q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g s o r i a lc o n c a t e n a t e dc o n v o l u t i o n a lc o d e s s p h e r ed e c o d i n g s o f ti n p u ts o f to u t p u t s i g n a lt on o i s er a t i o s o f to u t p u tv i t e r b ia l g o r i t h m s p a c e - t i m eb l o c kc o d e s p a c et i m ec o d i n g t u r b oc o n v o l u t i o n a lc o d e s 1 h u 缸c o d e dm o d u l a t i o n i n r b op r o d n c tc o d e s v e r t i c a lb l a s t 正交频分复用 脉幅调制 并行级联卷积码 伪最大似然 四相相移键控 串行级联卷积码 球形解码 软输入软输出 信噪比 软输出维特比算法 空时块码 空时编码 空时格码 t u r b o 卷积码 网格编码调制 t u r b o 乘积码 垂直分层空时码 v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n超大规模集成 w c d m a w i d e - b a n dc d m a z fz e r of o r c i n g v 1 宽带码分多址 迫零 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：袜京 日期：如6 年c 7 月3 1 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权上海交通大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：球走东 指导教师签名： 、s 刃孙1 日期：土聊石年宇月a7 e t 日期：o n 5 年穹月o - 4 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 本论文对下一代移动通信系统中将要用到的信道编码和空时编码的原理及 其关键技术进行了深入研究，重点研究了信道纠错编码的译码、空时编码的解码、 信道编码和空时编码联合译码技术，以及软计算方法在译码中的应用，得到了一 些有益的结论。 1 2 移动通信发展概述 在过去的二十多年里，移动通信作为世界范围内成长速度最快的产业之一， 取得了长足的发展。随着移动通信市场的发展，人们对移动通信业务的要求也在 不断提高，从单纯的语音业务，到低速率数据业务，再到能提供移动i n t e m e t 接 入的高速多媒体业务。用户数的快速增长和业务的高质量要求，使移动通信面临 巨大的挑战。 无线移动通信从其诞生以来，已经经历了几代变迁。从最初的模拟网，即现 在所说的第一代移动通信，发展到以欧洲的全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，g s m ) 和美国的c d m a o n e ( i i p l s 9 5 ) 为代表的第二代无线 通信系统。第二代无线移动通信系统采用的是数字调制技术与第一代移动通信相 比，显著改善了通话质量，大大增加了系统容量，第二代移动通信系统成为当前 无线移动通信平台的主体。 2 0 世纪9 0 年代后期，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 nu n i o n , 盯u ) ，提出了国际移动电信2 0 0 0 ( h l t e r n a t i o n a l m o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n 2 0 0 0 ， i m l 2 0 0 0 ) ，即第三代( t h i r d - g e n e r a t i o n ，3 g ) 移动通信系统。提出3 g 系统的目 的是能够向用户提供更多的无线数据业务以及更高的无线数据传输速率。围绕 i m t 2 0 0 0 标准的制定，在各国提出的诸多标准中，以欧洲的w c d m a 标准和美国 的c d m a 2 0 0 0 标准最令人瞩目。为了促进i m t 2 0 0 0 系统多个标准的融合，分别以 w c d m a 标准和c d m a 2 0 0 0 标准为核心组成了第三代合作伙伴计划 ( t h i r d ，g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e e t ，3 g p p ) 和3 g p p 2 。中国提出的t d s c d m a 标准在频谱利用率方面优势非常明显，与w c d m a 标准在频谱利用率方面有很好 的互补性，已被3 g p p 接纳并进行了融合。 申请上海交通大学工学博士学位论文 随着数字多媒体通信业务的发展，目前的无线通信系统越来越不能满足人们 对高速数据通信的需求，传统的标准在人们日益增长的需要面前也显得越来越无 能为力。虽然3 g 系统还不完善，到目前为止还未商用化，但人们对后三代( b e y o n d 3 g ) 无线通信系统的研究已经悄然兴起。后三代无线通信，也称为下一代无线 通信或第四代( f o u r t h g e n e r a t i o n ，4 g ) 无线通信。3 g 系统的主要特征是“无线”， 而4 g 系统的主要特征是“移动”，它将能够更好地支持多环境和多业务，多载 波与多天线等技术将在其中得到广泛的应用。 虽然下一代无线移动通信系统的标准尚未形成，但相关的研究却很活跃，其 中正交频分复用( o f d m ) 技术与多天线技术等研究的热点很有可能成为下一代 无线移动通信系统的核心技术。 1 - 3 移动通信的信道编码 移动通信的信道状况复杂，信道编码技术为提高移动通信的可靠性提供了技 术上的保证。2 0 世纪4 0 年代末，美国数学家香农在他的开创性论文通信的数 学理论【i 】中，提出了信息熵的概念，创立了信息理论，从而为通信系统的发展 奠定了坚实的基础。香农在论文中将发射功率、系统带宽以及加性噪声与信道联 系起来，形成了著名的香农公式： 厂 p1 c = w l 0 9 2 1 + 赢l ( b i t s ) “- 1 ) 其中，为平均发射功率，d 为加性噪声的功率密度谱，为信道带宽 文献【l 】指出：信道容量c 是通信可靠传输的极限，其意义为：如果信源的 信息速率r 小于信道容量c ，那么采用适当的编码规则将能够达到无差错传输。 但是，如果信息速率r 大于信道容量c ，则无论发射机和接收机如何设计，都不 能达到可靠、无差错的传输效果。 香农开创性的贡献对现代通信工业具有革命性的影响，然而香农公式并没有 明确指明系统应如何达到信道容量。长期以来，为了改善通信质量，逼近香农容 量极限，研究工作者一方面致力于寻求性能优良的信道编码方案，另一方面则在 寻找译码错误概率小、速度快、复杂度低的译码算法。 在五十多年纠错码的发展历程中，分组码最先出现。1 9 6 5 年，g a l l a g e r 根据 香农理论，证明了在无记忆信道中，最优分组码的误码率随着码长的增加呈 指数关系下降1 2 1 。为了达到一定的纠错能力和编码效率，分组码的码长一般都比 第一章绪论 较大。若采用最大似然译码，其译码复杂度将随码长呈指数级增长，从而使译码 器的计算量增加到难以实现的程度。此外，编译码时必须把整个信息码组存储起 来，由此产生的译码延时也将随码长的增加而增加【2 】。 e l i a s 于1 9 5 5 年提出了卷积码的概念【3 1 。在卷积码的编码过程中，编码器充 分利用了信息码元之间的相关性。在编码复杂度相同的情况下，卷积码性能优于 分组码。研究表明：卷积码的误码率随码长的增加呈指数下降。然而，与分 组码相比，卷积码的数学分析相当困难。经过研究人员的不懈努力，现已分析出 卷积码具有与分组码类似的误差指数界表达形式1 4 | 1 5 1 | 6 。 为了解决长码性能优良但译码复杂度高的矛盾，人们希望得到较优的编码方 案，其码字的差错概率随码长呈指数下降，而译码复杂度仅仅呈代数关系增加。 f o r n e y 于1 9 6 6 年设计出级联码，其外码采用的是多进制r s 编码，内码采用较 短的卷积码 7 1 。通常，级联码由不同的迦逻华( g a l o i s ) 域子码串联组成，其性 能逼近编码定理所给出的理论极限。而且，f o r n e y 还证明：级联码的译码复杂 度并不随码长n c = n n 的增长呈指数增加，而是随码长m 以较小的幂次增加，由 此降低了译码的复杂度。 自7 0 年代以来，众多学者纷纷致力于用级联方法构造好码。比较常用的级 联码就是以r e e d - s o l o m o n 码作为外码，b c h 码或卷积码作为内码。该级联码具 有较强的纠突发和纠随机误码的能力。迄今为止，级联码已广泛应用于现代通信 等诸多领域。 然而，在诸多码型中，没有一个码型能达到或靠近香农容量限。长期以来， 截止速率勘被认为是实际传输速率的极限。1 9 9 3 年，b e r r o u 等学者在i c c 9 3 会议上提出了采用重复迭代译码方式的并行级联码t 1 1 r b o 卷积码【8 】：该码型 将随机交织器和卷积码巧妙地结合到一起，体现了随机化编码的思想。在接收端， t u r b o 卷积码译码主要采用软输入软输出迭代算法。研究表明：在a w g n 信道 中，码率为l 2 ，接收信噪比为o 5 d b 时，t u r b o 卷积码的误码率( b e r ) 性能可 达到1 0 4 ，该性能距香农极限仅仅相差o 5 d b 。而且，t u r b o 卷积码在码率高于截 止速率勘时，也能实现低差错概率译码，从而结束了长期将截止速率作为实际 信道容量限的历史。t u r b o 卷积码这一超乎寻常的优异性能立即引起了整个信道 编码领域的强烈反响。广大学者投入大量的精力开始探究t u r b o 卷积码的理论基 础，完善其理论体系，并形成了如t u r b o 乘积码( t p c ) 、t u r b or s 码等诸多编 码码型和译码方案。本文将在阐述t u r b o 卷积码的基础上，重点研究t u r b o 乘积 码编译码原理及其应用。 申请上海交通大学工学博士学位论文 众所周知，考察编码方案的优劣可以从计算机仿真和联合界分析两方面着 手。通常，计算机仿真具有方便快捷的优点，能较为容易地得到码字的大致性能 曲线。但为了不失一般性，研究工作者也非常注重利用码字的联合界来评价其纠 错能力，从联合界容易得到在高信噪比情况下的码字性能，从而避免了蒙特卡洛 ( m o n t e c a r l o ) 仿真时所需的较长计算机运行时间。 2 0 0 1 年，f e r r a r i 和b e l l i n i 在i c c o l 会议上发表文章，推导出利用最大似 然译码的两维t u r b o 乘积码的误比特率性能联合界： 郴荒叩z q ( 赝磊 。，乏， s 圭最叩：唧( 一铷蝴 其中，两维乘积码分别为c l ( l ，蜀，碣) ，c 2 ( 2 ，如，吐) ，而喝为满足最小汉 明距离的码字数目，冠为编码效率。 由于早期纠错码昂贵的实现成本，造成其难以得到广泛应用。近年来，随着 编码理论的日益完善，大规模集成电路和计算机的飞速发展，使得纠错码在蜂窝 移动通信、卫星通信和计算机系统等诸多领域起到越来越重要的作用。 纠错码在蜂窝移动通信系统中的应用主要是为了降低无线移动信道对通信 质量的影响。众所周知，移动通信的信道环境相当恶劣和复杂。无线信号在传播 过程中会受到各式各样的干扰，其中包括由于地形地物和环境引起的衰落、阴影、 多谱勒频移对信号的影响，还包括大气噪声、工业干扰以及人为的干扰。为了提 高信息传输的可靠性，陆地蜂窝移动通信系统广泛采用了纠错码技术 9 1 。这些信 道纠错码对于改善系统功能和通信质量都起到了重要的作用。 现有的卫星通信系统也采用y e q 错编码技术【l o l 。理论分析表明：纠错码使系 统传输性能得到的改善相当于提高发射端的传输功率。在功率受限的卫星通信系 统中，此技术对于提高卫星的使用周期具有很高的实际应用价值。而且，采用纠 错码可使系统在保证信号传输质量的同时，降低载波发射功率，减小被敌方截获 的可能性。 1 4 多天线技术的发展及应用 由于目前所研究的第三代移动通信系统仍存在着用户间相互干扰大、误码率 较高的问题，很难达到理想的通信速率，因此人们十分希望能在下一代系统中解 第一章绪论 决这个问题，有一个满意的通信质量。但是在无线多径衰落或高斯白噪声信道中， 要降低误码率和提高传输质量是非常困难的。虽然可以通过增加发射功率和额外 带宽来获得信噪比( s i g n a lt on o i s er a t i o ，s n r ) 的改善，但这又不符合下一代 移动通信发展的要求。因此，如何在不增加功率和不牺牲带宽的情况下，减少多 径衰落的影响，就成了一个十分重要的研究课题。 为了攻克这一难题，一些学者提出了采用多发射和多接收天线的模型和发射 分集技术。如最早由g j f o s c h i n i 等人指出，在准平稳瑞利衰落信道下，采用多元 阵列( m u l t i e l e m e n t a r r a y ，m e a ) 技术可以明显提高信道的容量，这种多发射 和多接收天线的信道模型称之为多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ， m i m o ) 信道。在发射端和或接收端安置多个天线，天线之间相隔足够远，此时 各天线可以认为互不相关，从而在发射端与接收端之间构筑了多条相互独立同分 布的通道，实现空间分集( 天线分集) 。可以看出在实现空间分集时，信号既没 有在时间域内引入冗余，也没有在频率域内引入冗余，因此空间分集没有降低频 带利用率，这对高速传输特别有利。实际上在多天线传输模式下，信号虽然在时 间域和频率域都没有引入冗余度，但是信号赋予了一定的空间结构，在空间域上 引入冗余，因此提高了传输性能。如果接收端有理想的信道信息时( 可通过采用 训练序列或导频序列进行信道估计得到) ，则多发射、多接收天线系统的信息容 量与发射天线数目和接收天线数目中较小的那个成正比【l ”。 一些学者对如何充分利用m i m o 信道的容量进行了研究，提出了不同的空时 处理方案。如贝尔实验室提出了分层空时结构( b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e ，b l a s t ) 处理方案，将信源数据分成几个子数据流，独立地进行编码和 调制，但并没有基于发射分集。a t & t 的t a r o k h 等人则在发射延迟分集的基础上 正式提出了基于发射分集的空时格码处理方案【l ”。与此同时，a l a m o u t i 也提出了 一种简单的发射分集的方案【1 2 1 ，t a r o k h 等还进一步提出了空时块码( s p a c e - t i m e b l o c kc o d e ，s t b c ) 【l 卅编码方案等等。由于s t b c 方案具有很低的译码复杂度， 因此被正式列入3 g 的w c d m a 标准的提案之中。多天线的空时编码技术己成了 对下一代移动通信标准框架讨论中不可缺少的一部分。 1 5 关于本课题的研究 下一代无线移动通信系统的主要特点在于各种技术，如信道编码技术、多载 波技术、多址技术及多天线技术的综合运用。这些技术的应用，将使得下一代无 线移动通信系统能够实现更高传输速率和更大系统容量的目标。然而由于信道编 申请上海交通大学工学博士学位论文 码技术、多载波、多天线和多址技术的综合运用，将显著增加通信系统中信号处 理的难度和复杂度，使得一些现有的信号处理方法不能直