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独创性( 或创新性) 声明 l i i l l l l l l l l l l l l l l l l l11 q l lilli i i i i i l l l l l l i y 17 5 8 7 0 7 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 选番熔 日期： 趁f 坌! 圣! ! 仝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 非保密论文注释- 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：滥盐日期： 丝! ! ：主：! 竺 导师签名： 同期：j “l 一 o f d m o v c d m a 系统的研究及改进 摘要 频谱效率是未来移动通信系统设计中最重要的指标之一，为此李 道本教授提出了广义并行传输的重叠复用概念。其中重叠码分多址接 入( o v e r l a p p e dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，简称o v c d m a ) 技术 尤其具有代表性。通过在发射端符号叠加形成了编码约束关系，不仅 大幅度的提高了系统的频谱效率，而且在同等频谱效率的条件下提高 了系统性能。此外，在i t uu r b a nm a c r o 随机时变多径o f d m 传输 系统中，针对李道本教授原创性提出的o v c d m a 多址接入技术，提 出了同频组网o f d m o v c d m a 系统，其在准异步条件下可以完美 消除邻小区干扰，其中信道估计的准确程度将直接影响到系统容量和 系统性能，因此对其进行研究具有重要意义。 本文从以上两个方面进行了具体研究，主要内容具体如下： 一、0 f d m o v c d m a 编码系统的改进 重叠码分复用( o v e r l a p p i n gc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 简称 o v c d m ) 是一项符合信息论基本原理的新技术，它既可以用在单用 户系统中替代编码+ 调制从而提高频谱效率，也可以将不同的行分配 给不同的用户以提供多用户并行通信。当一个信道被多个信源共同使 用时就是复用( m u l t i p l e x i n g ) i h - j 题，被多个地址用户共同使用时就是多 址( m u l t i p l e a c c e s s ) l h - j 题。虽然“复用”与“多址”是针对不同对象的 术语，但它们的实质是一样的，都是对其共同信道容量的共享或分配 问题。论文中重点研究了通过加入预编码r s 码来提高 o f d m 0 v c d m a 编码系统的性能的方法，并设计了几种预编码的组 合方式。通过仿真证明了其提高系统性能的可行性。 二、o f d m 0 v c d m a 系统的信道估计 论文介绍了一种全新的连续宽带正反l s ( l o o s es y n c h r o n i z e d ) 码分导频设置方式。所谓宽带码分导频，是指在多载波系统中，导频 信道占据系统全部带宽，导频之间采用无干扰宽带码分方式隔离，导 频信道带宽远宽于单独业务信道( t r a f f i cc h a n n e l ，简称t c h ) 带宽的 情况。由于连续导频具有以下几点优点：只占用系统的一些功率资源， 不会占用其频率资源，有充分空间提供大量导频；基于叠加导频即 将导频符号和发送数据符号按功率比例叠加后形成频域发送数据的 最大迭代信道估计算法，没有因发送导频而带来的带宽损失，适用于 多载波( 正交频分复用) 和单载波传输系统；采用占据系统全部带宽的 正反l s 码组作为宽带导频应对业务信道没有干扰。因此，对其进行 研究具有重要的意义和实际应用价值。 关键字：重叠码分复用串行级联信道估计r s 码连续导频 r e s e 制r c ha n di m 噼r o v e m 匝n to n1 硼哐 o f d m o v c d 【as y s t e m s p r e c t r u me f f i c i e n c yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n to b j e c t i v e si nt h e d e s i g no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nt h ef u t u r e b a s e do nt h i s r e a s o n ，d b l ip r o p o s e dan o v e lh i g hd a t ar a t et r a n s m i s s i o ns c h e m e ， n a m e d g e n e r a l i z e dp a r a l l e l t r a n s m i s s i o nb a s e do n o v e r l a p p e d m u l t i p l e x i n g o v e r l a p p e dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( o v c d m a ) i s ak e yt e c h n o l o g ye s p e c i a l l y b a s e do ni n t r o d u c i n go v e r l a p p i n ga m o n g a d j a c e n ts y m b o l s ，w h i c hc a nf o r ma ne n c o d i n gc o n s t r a i n t ，i tc a np r o m o t e s y s t e m ss p r e c t m me f f i c i e n c ya n dp e r f o r m a n c e ，c o m p a r e dw i t hi s if r e e s y s t e mu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h es a m es p e c t r u me f f i c i e n c y b e s i d e s ， c o m b i n i n gc o n v e n t i o n a lo f d ma n do v c d m at e c h n o l o g yo r i g i n a l l y p r o p o s e db yl ii nu r b a nm a c r oc h a n n e l ，o f d m o v c d m as y s t e mi s p r e s e n t e d i tc a nc a n c e lt h ea d j a c e n tc e l l s i n t e r f e r e n c ep e r f e c t l yu n d e rt h e q u a s i - a s y n c h r o n o u sc o n d i t i o n a n dt h ec h a n n e le s t i m a t i o nc a ni m p a c tt h e s p e c t r u m ，e f f i c i e n c ya n ds y s t e mp e r f o r m a n c ed i r e c t l y , s ot h er e s e a r c ho n i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h et w op a r t sm e n t i o n e da b o v e s o m e t o p i c sa r ec o v e r e da sf o l l o w ： 1 ) i m p r o v e m e n to fc o d e do f d m o v c d m ac o d i n g s y s t e m o v e r l a p p i n gc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o v c d m ) i sn e w t e c h n o l o g yb a s e do nt h ei n f o r m a t i o nt h e o r y i tc a ns u b s t i t u d e t h e c o n v e n t i o n a lc o d i n ga n dm o d u l a t i o ns c h e m ei nt h es i n g l eu s e rs y s t e ma n d p r o m o t es p e c t r u me f f i c i e n c y ；o re a c hu s e ri sa s s i g n e dau n i q u ec o d e s e q u e n c ea n dr e a l i z em u l t i u s e rp a r a l l e lt r a n s m i s s i o n w h e no n ec h a n n e l i so c c u p i e db ym a n ys o u r c e s ，i t sc a l l e dm u l t i p l e x i n gp r o b l e m ；w h i l eb y m a n yu s e r s ，i t sc a l l e dm u l t i p l ea c c e s sp r o b l e m a l t h o u g h m u l t i p l e x i n g a n d “m u l t i p l ea c c e s s e s ”a r ed i f f e r e n tn a m e so b j e c t e dt od i f f e r e n tt h i n g s t h e yh a v et h es a m ee s s e n c e ，a l la b o u tt h es h a r i n ga n dd i s t r i b u t i n go ft h e s a m ec h a n n e l t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ed e s i g no fr sc o d ea sa p r e - c o d i n gs c h e m ea n ds i m u l a t e st h e mu s i n g 脚l a bt ot e s tt h e i m p r o v e m e n to fc o d e d0 f d m o v c d m as y s t e m sp e r f o r m a n c e 2 ) c h a n n e le s t i m a t i o no fo f d m o v c d m a s y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e san e wc o n t i n u o u sb r o a d b a n dp o s i t i v e a n dn e g a t i v el s ( l o o s es y n c h r o n i z e d ) c o d ed i v i s i o np i l o ts c h e m e b r o a d b a n dc o d ed i v i s i o np i l o ts c h e m em e a n s ，i nm u l t i c a r r i e rs y s t e m ， p i l o tc h a n n e l so c c u p ys y s t e m sw h o l eb a n d w i d t h ；p i l o t sa r ei s o l a t e db y n o n i n t e r f e r e n c ef r e eb r o a d b a n dc o d ed i v i s i o nm e t h o d ；p i l o tc h a n n e l s b a n d 丽d t hi sf a rb r o a d e rt h a nt h es i n g l et r a f f i cc h a n n e l ( t c h ) s i n c et h e c o n t i n u o u sp i l o th a sm a n ya d v a n t a g e s ：i to n l yo c c u p i e ss o m ep o w e r r e s o u r c e si n s t e a do ff r e q u e n c yr e s o u r c e s ；b a s e do nt h ea d d i n go f c o n t i n u o u sp i l o t ，i t sn on e e dt ok n o wt h er e c e i v e dd a t a ss t a t i s t i cf e a t u r e s ； c a nb ew e l lu s e di nt h em u l t i c a r r i e ra n ds i n g l ec a r t i e rt r a n s m i s s i o n s y s t e m ；c a nr e s i s tt h et r a 伍cc h a n n e l si n t e r f e r e n c eb yu s i n gt h el sc o d e s o ，t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ni tm a k es e n s ea n dh a v eag r e a tv a l u e k e y w o r d s ：o v e d a p p e dm u l t i p l e x i n g ，o v c d m a ，o f d m o v c d m a ， c h a n n e le s t i m a t i o n ，c o n t i n u o u sp i l o t 北京邮电大学硕士论文 目录 第一章绪论1 1 1 移动通信发展概述1 1 2 多载波调制技术3 1 3 信道编码理论背景5 1 4 信道估计理论背景7 第二章0 f d m - 0 v c d m a 系统1 0 2 10 v c d m 系统1 0 2 1 1 理论依据l o 2 1 2 系统模型1 2 2 20 f d m o v c d m a 系统1 4 2 2 1 发射机结构1 5 2 2 2 接收机结构2 0 2 3 o f d m 一0 v c d m a 系统的改进2 6 2 3 1 理论依据2 6 2 3 2 几种方案及性能仿真2 7 第三章o f d m o v c d m a 系统的信道估计3 7 3 1 技术背景3 7 3 1 1 时域算法d o oog 3 7 3 1 2 频域算法o ogoo 3 8 3 2 连续导频设计4 l 3 2 1j 下交互补码4 1 3 2 2 广义正交互补码4 7 3 2 3 设计原理及方法q o o o 4 7 3 3 几种方案及性能仿真5 1 第四章总结及前瞻5 6 北京邮电大学硕士论文 符号列表 本文中，矩阵统一用大写黑体字母表示，矢量统一用小写黑体字母表示，变 量则统一用斜体字母表示。 的复数形式 r 的转置 日 的共轭转置 - 1 的逆 m i n ( ) 的最小值 m a x ( ) 的最大值 e r f ( ) 的误差函数 e 疵( ) 的互补误差函数 e 的均值 v a r 的方差 l i l 的自然对数 l i m 的极限 卷积运算 d e f 定义 = z ，j未作特殊说明时统一表示复数的虚数部分 1 1 北京邮电大学硕士论文 1 1 移动通信发展概述 第一章绪论 第一代蜂窝移动通信系统又叫做a m p s t l l ，它包含两个2 5 m h z 宽度的频带： 上行链路或者反向信道为8 2 4 - - , 8 4 9 m h z ，下行链路或者前向信道为8 6 9 8 9 4 h z 。 系统使用模拟调频传输，为每一个方向上的信道分配3 0 k h z 。每个信道最大的频 偏是1 2 k h z 。这种通信系统在传输的方向上将全部2 5 m h z 带宽划分成3 0 k h z 的 信道，称为频分复用系统( f d m a ) 。基于小区的a m p s 系统使得移动容量的增 加成为可能，但是到1 9 8 5 年，美国的主要城市都面临容量问题。从1 9 8 5 年到 1 9 8 8 年蜂窝电信工业协会一直都在研究这个问题，最后决定转到数字时分复用 系统( t d m a ) 。如同a m p s ，这种系统同样在8 0 0 , - , 9 0 0 m h z 范围内使用3 0 k h z 的信道，这样是为了向后兼容。然而，每个信道可以同时被3 个用户使用，从而 相应的增大系统容量到以前的3 倍。这种系统的标准得到了发展，并制定了标号 为i s 5 4 的标准系统。这已经是第二代移动通信中的一种标准了。第二代移动通 信系统1 9 9 1 年末开始在美国主要城市运营。 1 9 8 6 年，圣地亚哥一个一直坚持码分多址( c d m a ) 的通信公司 q u a l c o m m 得到了很多地区性运营公司的支持，以试验他们的系统。这些系 统根据f c c 的规定，必须如同上两种系统一样覆盖8 0 0 - , 9 0 0 m h z 的频率范围。 这种标号为i s 一9 5 的c d m a 系统，从1 9 9 3 年开始在美国和其他国家商用。它在 2 g h z 的p c s 频段同样被采用。在i s 9 5 中，分配给移动业务的2 5 m h z 带宽被 划分成1 2 5 m h z 宽度的c d m a 信道。在欧洲，1 9 8 1 年，法国和德国开始了一个 发展第二代数字系统的研究。1 9 8 2 年，欧洲邮政电信管理会( c e p t ) 的电信委 员会建立了一个移动通信特别研究小组( g s m ) ，在9 0 0 m h z 频段开发全欧洲范 围的第二代数字蜂窝系统的标准。到1 9 8 6 年，决定使用t d m a 技术。1 9 8 7 年， 欧洲经济共同体采用了最初的提议和频率分配，从移动台到基站的上行链路覆盖 了8 9 0 , - - 9 1 5 m h z 的2 5 m h z ，从基站到移动台的下行链路覆盖9 3 5 9 6 9 m h z 的频 段。1 9 9 0 年，所形成的成为g s m ( 移动通信全球系统) 的第一阶段标准确定了。 同年，应英国请求，将g s m 适配到1 8 g h z 频段( d c s l 8 0 0 ) 的工作开始。1 9 9 2 年，第一个g s m 系统商用。 到2 0 0 3 年5 月，g s m 成为世界上使用最广泛的第二代系统，大约有8 6 4 亿用户，为世界上7 2 的数字移动用户提供服务。其中，欧洲有4 亿，亚太地区 有3 3 4 亿，非洲和阿拉伯世界各有2 8 0 0 万，北美和俄罗斯各有2 2 0 0 万。i s 9 5 北京邮电大学硕士论文 则有1 5 7 亿用户。 基于第二代移动通信系统取得的巨大成功，大家都把目光聚集在第三代移动 通信( 3 g ) 的商用上。第三代移动通信系统最早于1 9 8 5 年由1 1 r u 提出，当时称 为未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，1 9 9 6 年更名为国际移动通信2 0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ) 。2 0 0 0 年5 月n u r 2 0 0 0 批准并通过了i m t - 2 0 0 0 的无线接口技术 规范( r s p c ) 建议，其目标是：世界范围的高度一致；与固定网络各种业务的 相互兼容；高服务质量；全球范围内使用的小终端；全球漫游；支持多媒体功能 及其他业务的终端。为了实现上述目标，其对传输速率的基本要求是：高速移动 环境下1 4 4 k b p s ，室外步行环境下3 8 4 k b p s ，室内则能提供2 m b p s 的高速下载， 以及比第二代移动通信系统更高的频谱利用率。基于以上的要求，n u 最终通过 了三大主流的技术标准【2 】。 i m t - 2 0 0 0c d m a d s ，即w c d m a ，它是在宽达5 m h z 的频带内直接对信 号进行扩频。核心网基于g s m g p r s 网络的演进，保持与g s m g p r s 网络的兼 容性。 i m t - 2 0 0 0c d m a m c ，即c d m a 2 0 0 0 ，它是由多个1 2 5 m h z 窄带直接扩频 系统组成的一个宽带系统。c d m a 2 0 0 0 体制是基于i s 9 5 标准基础上提出的3 g 标准，目前其标准化工作主要有3 g p p 2 完成。 i m t - 2 0 0 0c d m at d d ，包括中国提出的t d s c d m a 和u t r at d d ( t d c d m a ) 。t d s c d m a 标准由中国无线通信标准组织( c w t s ) 提出，目 前已经融合到了3 g p p 关于w c d m a t d d 的相关规范中。核心网基于 g s m g p r s 网络的演进，保持与g s m g p r s 网络的兼容性。 目前，w c d m a 在欧洲和日本广泛商用，而c d m a 2 0 0 0 则在美国、韩国等 地成功运营，而我国的t d s c d m a 也正处于商用前的最后阶段。 但是第三代移动通信并不能够满足对数据业务的需求，在继续开发对第三代 移动通信的升级技术( 比如h s d p a h s u p a 之于w c d m a 和e v - d o 之于 c d m a 2 0 0 0 ) 的同时，b 3 g 4 g 的研究同时展开。 1 9 9 9 年成立的删r 的w p s f - 1 - _ 作组的主要任务是负责3 g 未来发展和超 3 g 的研究。超3 g 是i t u 定义“s y s t e m sb e y o n di m t - 2 0 0 0 ”的简称，意为超越3 g 的系统，目前有些国家所称的第四代移动通信( 4 g ) 实际上就是指i t u 提出的 超3 g 系统。2 0 0 1 年l o 月在日本举行的i t u r 的w p 8 f 工作组第6 次会议上讨 论提出了“i m t - 2 0 0 0 未来发展及超i m t - 2 0 0 0 的远景框架及总目标( i m t v i s ) ”。 该文件定义的目标传输速率为i m t - 2 0 0 0 的未来发展在2 0 0 5 年左右实现最高约 3 0 m b i t s 的速率，而超3 g 在2 0 1 0 年左右在高速移动环境中支持最高约1 0 0 m b i t s 的速率，在低速移动环境中支持达到1 g b i t s 速率。 2 北京邮电大学硕士论文 w p 8 ft 作组提出的超3 g 系统的要求主要包括：高速数据传输，根据移动 速度支持各种传输速率( 3 0 公里d , 时1 0 0 m b i t s ，6 0 公里小时2 0 m b i t s ，2 5 0 公里小时2 m b i t s ) ；以m 为基础的无线接入，支持q o s ；各系统( i m t - 2 0 0 0 、 w l a n 、b w a 、卫星和广播) 之间无缝的业务支持，并支持全球漫游；支持多 重模式、支持对称月e 对称业务。 第四代移动通信系统是多功能集成的宽带移动通信系统，在业务上、功能上、 频带上都与第三代系统不同，将在不同的固定和无线平台及跨越不同频带的网络 运行中提供无线服务，比第三代移动通信更接近于个人通信【3 1 。第四代移动通信 技术可将上网速度提高到超过第三代移动技术5 0 倍。除了高速信息传输技术外， 它还包括高速移动无线信息存取系统、移动平台技术、安全密码技术以及终端间 通信技术等，具有极高的安全性，4 g 终端还可用作诸如定位、告警等。其基站 天线可以发送更窄的无线电波波束，在用户行动时也可进行跟踪，可处理数量更 多的通话。第四代移动电话不仅音质清晰，而且能进行高清晰度的图像传输，用 途将十分广泛。在容量方面，可在f d m a 、t d m a 、c d m a 的基础上引入空分 多址( s d m a ) ，容量达到3 g 的5 1 0 倍。另外，可以在任何地址宽带接入互 联网，包含卫星通信，能提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等 综合功能。能自适应资源分配，处理变化的业务流、信道条件不同的环境，有很 强的自组织性和灵活性。能根据网络的动态和自动变化的信道条件，使低码率与 高码率的用户能够共存，综合固定移动广播网络或其他的一些规则，实现对这些 功能体积分布的控制。4 g 系统可以自动管理、动态改变自己的结构以满足系统 变化和发展的要求。用户将使用各种各样的移动设备接入到4 g 系统中，各种不 同的接入系统结合成一个公共的平台，它们互相补充、互相协作以满足不同的业 务的要求，移动网络服务趋于多样化，最终将演变为社会上多行业、多部门、多 系统与人们沟通的桥梁。 1 2 多载波调制技术 o f d m 本来是一种古老的无线环境下的复用传输技术，先用于数字视频广 播，现已被提议用于8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 6 t 4 】系列中的一些物理层规范。o f d m 技术 的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用 一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，这样，尽管总的信道是非平坦的， 即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个子信道上进行的 是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的 干扰。o f d m 技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减 北京邮电大学硕士论文 小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。 但是o f d m 技术也有其致命的缺点，首先，它不是一个多址技术，为了解 决多址问题必须配合以时分或频分多址技术，例如o f d m a ( 含跳频o f d m ) 就 是一个频分多址的o f d m 技术，而根据多用户信息论，频分、时分或它们的混 合多址方式只能分配信道容量而不能共享信道容量，它们决不是最佳多址方式； 第二，它无法解决多小区的组网问题，因为小区间的干扰o f d m 技术是无法解 决的，唯一的出路是频率重用，根据四色原理，频率重用系统数最小为4 ，因此 多小区o f d m 系统的频谱效率最多是单小区的1 4 ，这样一来，o f d m 的实际频 谱效率将大打折扣。 o f d m 和c d m a 的结合通常可以归为两大类。第一种是m c c d m a ，又叫 o f d m c d m a 和m c s s m a ，另外一种又可以分为m c d s c d m a 和 m t o c d m a 。 m c c d m a 就是o f d m 和c d m a 的一种串连结合，是在频域上的扩频。但 信道延时产生的干扰会对此方案有很大的影响，虽然可以通过串并变换适当的延 长符号持续时间，但是由于串并变换会带来较大的功率的峰均比。 m c d s c d m a 在扩频之前先串并变换，扩频完的不同数据流调到正交的载 波上，是在时域上的扩频。m c - d s c d m a 的设计使得每个子信道都可以视为频 率非选择性信道，从而更容易获得时间分集增益。但是，如果要获得频率分集增 益，就必须采用合适的编码【5 】或是跳频，或是在几个并列的载波上同传一路信息。 当然m c d s c d m a 也会遇到问题。首先它和c d m a 用的地址码有关，其次当 带宽较宽时，间隔较远的载波会因为多普勒频移的不同而影响频率之间的正交 性。 m t - c d m a 采用了和m c d s c d m a 相同的数据映射和扩频方法。不同的 是，不同载波之间的频率间隔小于c h i p 持续时间的倒数，即各个载波之间是重 叠不正交的。由于载波的不正交导致载波间的干扰i c i 加大，接收机的复杂度增 加，但是系统可以同时使用的用户数增多【5 1 。 在移动通信系统的下行链路中分别使用m c c d m a 和使用r a k e 接收机的 d s c d m a 相比，当用户数较多时，前者的性能要远远好于后者，并且有近4 倍 的频谱效率【6 。7 1 。而对于m c d s c d m a 和m t - c d m a 则和d s c d m a 有比较相 近的性能【8 】。 本论文所述o f d m o v c d m a 系统正是充分利用了o f d m 和o v c d m a 的 各自的优点，提出的一种o f d m 与o v c d m a 多址技术相结合的方案。 4 北京邮电大学硕士论文 1 3 信道编码理论概述 信道编码的理论与实践应用起源于香农( s h a n n o n ) 的开创性贡献。1 9 4 8 年， 香农在题为通信的数学理论( am a t h e m a t i c a lt h e o r yo f c o m m u n i c a t i o n ) ) ) 【9 】的论 文中指出，任何一个通信信道都有确定的信道容量c ，如果通信系统所要求的传 输速率r 小于c ，则存在一种编码方法，当码长n 充分大并应用最大似然译码 ( m a x i m u ml i k e l i h o o dd e c o d i n g ，简称m l d ) 时，信息的错误概率可以达到任 意小。 有噪信道编码定理从理论上给出了纠错码的理论极限，同时也给出了纠错码 研究的方向和目标。从香农信道编码定理可知，随着分组码的码长n 或卷积码 的约束长度v 的增加，系统可以取得更好的性能( 即更大的数据保护能力或编 码增益) 。但是，最大似然译码算法的复杂度随码长刀或编码约束长度v 的增加 呈指数形式增加，当疗或者，较大时，最大似然译码算法在物理上几乎是不可 实现的。因此，构造物理可实现编码方案及寻找有效译码算法一直是信道编码理 论与技术研究的中心任务。 香农定理虽然指出了可以通过差错控制码在信息传输速率不大于信道容量 的前提下实现可靠通信，但却没有给出具体实现差错控制编码的方法。从历史上 来说，第一个在实践中运用的前向纠错码是r h a m m i n g 和m g o l a y 在1 9 5 0 年 提出的可以纠正一个错误的汉明码( h a m m i n gc o d e ) 【1 0 1 。 虽然汉明码的思想是比较先进的，但在实际应用中，汉明码也存在很多难以 接受的缺点。首先，汉明码的编码效率比较低；另外，在一个码组中只能纠正单 个的比特错误，纠错能力较差。m g o l a y 研究了汉明码的这些缺点，提出了两个 以他自己的名字命名的高性能码字：一个是二元g o l a y 码，在这个码字中g o l a y 将信息比特每1 2 个分为一组，编码生成1 1 个冗余校验比特。相应的译码算法 可以纠正3 个错误。另外一个是三元g o l a y 码，它的操作对象是三元而非二元 数字。三元g o l a y 码将每6 个三元符号分为一组，编码生成5 个冗余校验三元 符号。这样由1 1 个三元符号组成的三元g o l a y 码码字可以纠正2 个错误。 汉明码和g o l a y 码的基本原理相同。他们都是将g 元符号按每k 个分为一 组，然后通过编码得到n - k 个g 元符号作为冗余校验符号，最后由校验符号和 信息符号组成有n 个口元符号的码字符号。得到的码字可以纠正t 个错误，编 码速率为，= k n 。这种类型的码字称为分组码，一般记为( 吼，z ，屯f ) 码，二元分 组码可以简记为( 刀，毛o 码或者( ”，妨码。汉明码和g o l a y 码都是线性的，任何两 个码字经过模g 的加操作后，得到的码字仍旧属于码字集合。 在g o l a y 码提出之后最重要的一类分组码是r e e d m u l l e r 码，它是m u l l e r 5 北京邮电大学硕士论文 在1 9 5 4 年提出的。此后r e e d 在m u l l e r 提出的分组码的基础上得到了一种新的 分组码，称为r e e d m u l l e r 码，简记为r m 码。r m 码在汉明码和g o l a y 码的 基础上前进了一大步，在码字长度和纠错能力方面具有更强的适应性。 在r m 码提出之后人们又提出了循环码的概念【l l 】。循环码实际上也是一类 分组码，但他的码字具有循环移位的特性，即码字比特经过循环移位后仍然是码 字集合中的码字。这种循环结构使码字的设计范围大大增加，同时大大简化了编 译码结构。 在1 9 5 9 年和1 9 6 0 年由b o s e ，c h a u d h u n 和h o c q u e n g h e n l 发明的一类可以 纠多个错误的二进制分组码是分组码发展历史上的一个重要里程碑，该码被称之 为b c h 码。b c h 码的码字长度为以= q “一1 ，其中m 为一个整数。二元b c h 码 ( 口= 2 ) 的纠错能力限为f m - o v c d m a 系统框图 信号经过o f d m 调制后与连续导频相加一起发送，经过衰落信道和噪声后， 通过实际信道估计，可以恢复出导频，接收信号减去导频的部分后进行o f d m 解调，解交织后，与实际信道估计出的频域的信道进行均衡处理，得到原编码后 信号的估计值。 2 2 1 发射机结构 结构框图： 橱巨丑一卜舔习医熏 簪卜目 图2 3o f d m o v c d m a 系统发射机结构框图 一、预编码 预编码的设计和研究主要见2 3 节。 二、非线性o v c d m 编码器 其中o v c d m 编码器结构为： 表示模二相加： t 表示移位寄存器。 图2 4 非线性o v c d m 编码器 1 5 北京邮电大学硕士论文 在编码前编码器的寄存器都初始化为0 0 0 对应的8 p s k 符号。编码的最后不 收尾，经预编码后的4 8 0 0 个比特经第一级o v c d m 编码，得到2 4 0 0 个8 p s k 符 号。 表2 - 1 调制映射关系 0 0 00 0 1 0 1 0 0 1 1 1 。0 0 0 0 + 0 0 0 0 0 i0 7 0 7 1 + o 7 0 7 1i0 0 0 0 0 + 1 。0 0 0 0 i_ 0 7 0 7 1 + 0 7 0 7 1i 1 0 01 0 11 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 + 0 0 0 0 0 i0 7 0 7 1 - 0 7 0 7 1i0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 i0 7 0 7 1 - 0 7 0 7 1i 串行级联o v c d m 编码结构： 图2 5 串行级联0 v c i ) m 编码方案在发送端的结构框图 如图2 5 所示，数据比特流经过第一级的o v c d m l 编码矩阵后，经过符号 交织，送入第二级的o v c d m 2 编码矩阵进行编码。因此，o v c d m 编码矩阵仅 仅作为串行级联o v c d m 系统中串行或乘积级联码的分量码使用。接收端采用 两级的o v c d m 译码器进行迭代译码检测。具体检测算法描述见下面小节。 两级的o v c d m 编码可以是线性编码，也可以是非线性编码。其选择标准需 要从复杂度及性能两个方面综合考虑。通过已有的仿真结果表明两级o v c d m 编码矩阵中间的交织器选择对串行级联o v c d m 系统的性能有一定的影响，包 括交织器的长度，交织器的类型等。通过仿真比较发现，相对于矩形交织，对角 交织、循环移位交织等不同的交织器，采用随机交织的性能最优。对于相同的交 织方式，随着交织器长度的增长，系统的陡降门限并没有发生明显的改变，但系 统每次的迭代增益却明显增大。交织长度在1 0 0 0 0 时其性能已经较优，例如谱效 率为4 b p s h z ，误比特率在l l 旷时，距离s h a n n o n 界的距离只有1 5 d b 左右。 与目前的t u r b o 、l d p c 编码相比，串行级联o v c d m 系统可以在交织长度较短 的时候就达到良好的性能。同时目前采用的o v c d m 编码器约束长度只有2 ，如 果增大约束长度，将会进一步提高性能，缩短与s h a n n o n 界的距离。 三、s 交织器 1 6 北京邮电大学硕士论文 采用s 交织器对第一级o v c d m 的输出进行交织。交织深度为2 4 0 0 ，s 参 数为2 4 。 根据不同的设计思想，交织器大致可以分为两类：规则交织器和随机交织器。 规则交织器通常按照一定的规则映射来实现交织，比较容易实现，比如分组交织 器或者矩形交织器；随机交织器则是将输入序列各符号的顺序随机的重新排列， 统计意义上讲具有最好的随机性。对于长度有限的输入信息序列而言，交织长度 有限，实现完全随机是不可能的，因此基于随机性准则设计的交织器通常又称为 伪随机交织器。 在规则交织器中，可分为分组交织器( 矩形交织器) 、循环移位交织器、分 组螺旋交织器等。其中使用分组交织器或者矩形交织器的s c o v c d m 系统将会 演进为另一类级联o v c d m 系统一阵列o v c d m 系统( a n a y - o v c d m ， a o v c d m 系统) 。 伪随机交织器是指交织映射随机生成的交织器。每个长度为的伪随机交 织器共有朋种可能的交织形式。如果交织长度为，则伪随机交织器的设计过 程如下： 从集合s = l ，2 ，n ) 中随机选择一个整数l ，相应的选取到- 的概率 为p ( t ) = l n ，将选择的- 记为i ( 1 ) ，同时将。- 从集合s 中删除，得到的新的 集合记为o l 。 在第k 步，从集合瓯一t = i e s ，i i i ，易9 6j ，i n m - ) 中随机选择一个整数， 其相应的选取概率为p ( ) = i ( n 一后+ n ，将选择的记为i ( k ) ，同时将从集合 & 一- 中删除，得到的新的集合记为& 。 当k = n 时，得到i ( n ) ，相应的选取概率为p ( i n ) 一，= 。交织过程结 束。 此外，还有一个非常方便的生成伪随机交织器的方法，仍旧假设交织长度为 n ： 生成n 个随机数。 将生成的n 个随机数按照从大到小( 或者从小到大) 排列。 重排过程对应的序列调整即可作为交织器对应的序列调整的过程。 交织器的一个非常重要的属性是扩展特性。交织器的扩展特性又叫做s 一 距离特性，它是指在交织过程中相邻的s 个符号在经过交织后它们之间的距离至 少为s 。对于伪随机交织器，在随机生成1 n 之问的整数时要满足上述s 一距 离要求的限制，这样的交织器称为s 一随机交织器。通常s 一随机交织器可以 描述如下。 对于任何 l ，( ) 一i ( i z ) i s ，i l ，之s ( 2 2 ) 1 7