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l a s c d m a 系统中的链路自适应技术研究 摘要 随着多媒体业务的快速发展和新一代移动通信系统( 3 g & b e y o n d ) 技术的 成熟，链路自适应技术逐渐受到了业界广泛的关注，被认为是下一代移动通信 系统实现高速数据可靠传输的最有效技术手段之一。其中自适应调制编码 ( a m c ) 和混合自动重传请求( h a r q ) 技术及其应用更是日益成为通信领域 致力研究的课题。在新一代移动通信系统中，一方面人们期望的数据业务速度 不断提高，另一方面数据业务自身的特点要求误码率达到1 0 。a m c 技术可以 根据信道的状况自适应地调整调制编码方式，从而大大提高了系统的吞吐量。 h a r q 技术结合了自动重传请求( a r q ) 方式的高可靠性和前向纠错( f e c ) 方式的高吞吐量，它的引入将使c d m a 系统的抗干扰性能大大增强，降低扩 颁解调所需的信噪比。 l a s c d m a ( 大区域码分多址接入) 技术，是由北京邮电大学李道本教授提 出的一种以智慧码为核心的新一代c d m a 技术。其创新之处在于：l a s c d m a 是噪声受限的新型c d m a 技术，以一种创新的基于l a 码和l s 码 ( l a s 码) 的扩频编码方案为特征，其自身无干扰，系统容量仅受接收噪声电 平限定。l a s 码克服了传统c d m a 系统的致命伤“远近效应”，系统将有远 比现有系统大得多的容量。因此，l a s - c d m a 具有理论最高的频谱效率，无需 众多复杂而昂贵的辅助技术，就能获得比现有任何3 g 系统优越得多的性能。 论文的将深入研究a m c 和h a r q 技术的若干关键问题，包括t u r b o 乘积 码( t e c l 的编译码原理：自适应调制通信系统的信道容量极限，传输延时对系 统性能的影响：h a r q 的主要类型及原理；并在l a s 2 0 0 0 + 系统上分别进行了 仿真工作。 论文分为三部分，第一部分介绍了t u r b o 乘积码编译码原理，着重介绍了 一种基于子码伴随式译码的t p c 迭代译码算法并在l a s 2 0 0 0 + 系统上进行了 性能仿真。第二部分介绍了a m c 原理，研究了自适应调制通信系统的信道容 量极限及延时对系统性能的影响，并在l a s 2 0 0 0 + 系统上进行了性能仿真。第 三部分介绍了当前常见的几种h a r q 方法，为l a s 2 0 0 0 + 系统设计了c h a s e 合 并型的h a r q 方案并进行了仿真。 积码 关键宇：大区域码分多址自适应调制编码混合自动重传请求t u r b o 乘 r e s e a r c ho nl i n ka d a p t i o ni nl a s c d m a s y s t e m a b s t r a c t w i t hf a s t d e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sa n dr e s e a r c ho nt h en e w 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 ，l i n ka d a p t i o nt e c h n i q u e sh a v ea t t r a c t e d h i g h a t t e n t i o na n dh a v eb e e nc o n s i d e r e da s k e yt e c h n i q u e s t b rt h ef u t u r e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m a m o n gt h e s et e c h n i q u e s a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ( a m c ) a n dh y b r i d a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ( h a r q ) a r et h em o s te f f e c t i v e t e c h n i q u e s t or e a l i z ear e l i a b l e p a c k e t d a t at r a n s m i s s i o nf o rn e x t g e n e r a t i o n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ( 3 g & b e y o n d ) i nt h e s es y s t e m s ，p e o p l ed e s i r eh i g h e rd a t a r a t e w h i l et h eh i g h s p e e dp a c k e td a t as e r v i c er e q u e s t st h el o wb i te r r o rr a t e ( b e r 、 l e s st h a n10 a m cc a ng r e a t l yi m p r o v es y s t e mt h r o u g h p u tb y a d a p t i v ec h a n g i n gt h e m o d u l a t i o na n dc o d i n gm o d ei nc a s eo fd i f f e r e n tc h a n n e lc o n d i t i o n s h y b r i da r q ， w h i c hi st h ec o m b i n a t i o no ff o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ( f e c ) w i t ha r q ，i su s e df o r p h y s i c a ll a y e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t s o f q u a i i t yo fs e r v i c e ( q o s ) m o r e o v e r t h e u s eo fh a r qi nc d m a s y s t e m sc a r ts t r o n g l yr e s i s ti n t e r f e r e n c e s ，r e d u c et h es i g n a _ 【 n o i s e r a t i o ( s n r ) r e q u i r e m e n t f o r s p e c t r u ms p r e a d i n ga n d m o d u l m i o n l a s c d m a ( l a r g ea r e as y n c h r o n i z i n g c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga d d r e s s ) i san e wc d m a t e c h n i q u eu s i n gs m a r tc o d ei n v e n t e db yp r o d a o b e nl i i t i s f e a t u r e db ya ni n n o v a t i v es p r e a d i n gs p e c t r u mc o d i n gs c h e m eb a s e do nl aa n dl s c o d e ( l a s ) l a sc o d eh a sn os e l g i n t e r f e r e n c ea n dt h es y s t e mc a p a c i t y i s o n l y l i m i t e db yp o w e ro fr e c e i v i n gn o i s e t h u si to v e r c o m e st h e “f a r - n e a re f f e c t ”i n t r a d i t i o nc d m a s y s t e ma n d h a sam u c h l a r g e rc a p a c i t y t h i sp a p e rw i l tf o c u so ns o m ek e ya s p e c t so fa m ca n dh a r qt e c h n i q u e s i n c l u d i n gc o d i n ga n dd e c o d i n gt h e o r yo f t u r b op r o d u c tc o d e ( t p c ) ，t h ec h a n n e l c a p a c i t yo fa d a p t i v em o d u l a t i o ns y s t e m ，a f f e c t i o no f t i m ed e l a yo n a d a p t i v es y s t e m s ， m a i nt y p ea n dt h e o r yo fr a r q s o m es i m u l a t i o nw o r k so ft h e s et e c h n i q u e si n l a s 2 0 0 0 + s y s t e m a l ep e r f o r m e d t h i sp a p e ri sc o m p o s e do ft h r e ep a r t sm a i n l y i nt h ef i r s tp a r t ，t h eb a s i cc o d i n g a n dd e c o d i n gt h e o r yo ft p ci si n t r o d u c e d ，e s p e c i a l l ya l li t e r a t i v ea l g o r i t h mw i t hl i s t d e c o d i n go f s u b c o d e s t h e ns i m u l a t i o ni sp e r f o r m e di nl a s 2 0 0 0 + p l a t f o r m i nt h e s e c o n dp a r t ，t h ec a p a c i t yl i m i to f a d a p t i v em o d u l a t i o ns y s t e ma n da f f e c t i o no f t i m e d e l a y o ns y s t e mp e r f o r m a n c ea r es t u d i e d ，a l la m cm e t h o di ss i m u l a t e di nl a s 2 0 0 0 + p l a t f o r m i n t h et h i r d p a r t ，t y p i c a lh a r qs c h e m e s a l ei n t r o d u c e d a nc h a s e c o m b i n i n gb a s e dh a r q s c h e m ei sd e s i g n e df o rl a s 2 0 0 0 + s y s t e ma n ds i m u l a t i o n w o r k sa r ep e r f o r m e d k e yw o r d s ：l a s c d m a a m ch a r qt p c 北京邮电大学硕士学位 l a s - c d m a 系统中的链路自适应技术研究 主要符号及词汇表 3 g 4 g ：t h i r dg e n e r a t i o n f o r t hg 曲e 棚0 i l 第三代僳四代( 移动通信系统) 3 g p p ：t h i r dc 捌o n p a r m e r s h i pp r o j e c 卜一第三代合作伙伴计划 3 g p p 2 ：n l i r dg e n e r a t i o n p a t m e t s h i pp r o j e c t 卜第三代合作伙伴计划2 a c k ：a c k d d w i e d 筘肯定( 回执) a m c ：a d a p t i - , c e m o d u l a t i o n a n d c o d i d r 自适应调制编码 a p p ：ap o s t e r i o r p r o b a b j 】i 竹一最大后验概率 a r q ：a u t o m a t i cr e p e a tr e q l 翳卜一自动重复请求 a w g n ：a d d i t i o n a l w h i t e g a l x g s i a l l n 豳e _ 珈性白高斯噪声 b e r ：b i te r r o rr 疵误比特率 b p s k ：b i n a r y p h a s e s h i f 【k e y 一二进制相移键控 b s ：b a s es t a f f o r r 基站 c d m a ：c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea e o 瞄r 码分多址 c d m a 2 0 0 0 ：c o d ed i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s2 0 0 0 _ 码分多址2 0 0 0 c r c ：c y c l er t e a t m a a n e y 凸髓k _ 稍环冗余校验 f d d ：f r e q u e n c y d i v i s i o nd 叩l 联频分双工 f e c ：f o r w a r de r r o rc o 戏甜o n 前向纠错 f e r ：f r a m ee r r o rr 疵误帧率 g b n ：g o b a c k n 一后退n 步 g s m ：g l o b a l s y s t e m f o rm o b i l ee o m m u n i e a t i o n - - - - - 全球移动通信系统 h a r q ：h y b r i da r q _ 混合a r q 砸w ：i n t e r f e r e n c e f r e ew i r 妇佣r 无干扰窗口( 零相关窗口) i m t - 2 0 0 0 ：i n t e r n a t i o n a l m o b i l e t e l e p h o n e 2 0 0 0 一国际移动电话2 0 0 0 i p ：i n t e r n a t i o n a lp r 咖c 0 卜一网络协议 i r ：i n c r e m e n t a l 黜d u n d a n c r - j 嫠增冗余 i s - 9 5 ：c d m a 2 0 0 0 系统的前身 i s i ：i n t e r - s y m b o l 妯l e l 向搬联r 符号间干扰 i t u * i n t e r n a t i o n a lt e l e e o m m t m i c a f i t m u n i 眦一国际电联 u 岖：l i n k a c c e s s c o r a r o 卜链路接入控制 l a s ；l a l s _ i a s - c d m a 技术采用的扩频码，包括l a 码和l s 码 l a s - c d m a ：l a r g e a r e a s y n c l x m n i z a f i o n c d m a _ 一大区同步码分多址 l i r ：l o g l i k e l i h o o d r a f t o 一对数似然比 l m s ：l e a s t m e a ns q i l 蹦守- 最小均方 m a c ：m e d i aa c c e s sc o n l r o i 媒体接入控制 m a p ：m a x i l n k l ma 嘲o t j - 一最大后验概率 m c s ：m o d u l a t i o na n d c o d i n gs c 搬n r 调制编码方案 m l ：m a x i l r l u i nl i k e l i l l 0 0 卜最大似然 i v l r c ：m a x i l n u n lr a t i oc c 嘲b j n i n g _ 最大比值合并 m s ：m o b i l es 锄o n 移动台( 手机终端) n a k ：n e g a t i v ea c k n o w l e d 弦否定( 回执) 北京邮电大学硕士学位l a s - c d m a 系统中的链路自适应技术研究 p a ：p e d e s t r i a n ( c h a n n e l ) a ( i t u ) 从室内到室外或步行环境类型a ( 两径信 道) p m l ：p s e u d om a x i m u ml i k e l i l 】0 0 d _ 嘞最大似然 0 0 s ：q u a l i t y o f s e 州。宁一服务质量 q p s k ：q u a d r a t u r e p h a s es h i i t k e y 一四进制相移键控 r c p c ：r a t e c o m p a t i b l e p u n c t u r e d c o n v o l u l i o n a l ( c o d e 卜谒率匹配截短卷积( 码) r c p t ：r a t e c o m p a t i b l e p t m c t u r e d t u r b o ( c o d 升_ 吗率匹配截短t u r b o ( 码) s i s o ：s o f t i n p u ts o f t 吼l t p l r 软入软出 s n r ：s i n g l e n o i s er 撕o _ 言噪比 s o v a ：s o f t o u t p u t v i t e r b ia 1 鲥吐】i n _ _ 软输出维特比算法 s r ：s e l e c t i v er e p e 廿七枣择性重复 s w ：s t o p a n dw a j 卜停等式 t p c ：t u r b op r o d u c tc 0 d e _ - t u r b 0 乘积码 w - c d m a ：w i d e b a n dc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s r 宽带码分多址 2 独创性( 或创新性) 声明 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己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： 聋孛 关于论文使用授权的浇明 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) 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 蔓宴 捐一 e t 期：2 q 煎生q 旦! 旦 日期： 2 q q 生业旦! 目 北京邮电丈学硕士学位 l a s c d m a 系统中的链路自适应技术研究 第1 章绪论 1 1 第三代移动通信技术 1 1 1 宽带g d m a 现代移动通信在经历了第一代模拟系统和第二代数字系统( 以g s m 和窄带 c d m a 为代表) 之后，为适应市场发展的要求，由国际电信联盟r r u 主导协调， 自1 9 9 6 年开始了第三代( 3 g ) 宽带数字系统的标准化进程【l 】冈。对更高比特率数 据业务和更好的频谱利用率的迫切需求。是推动第三代移动无线系统发展的主要 动力。1 9 9 7 年，来自日本的宽带c d m a 技术关键参数和欧洲宽带c d m a 建议取 得一致。1 9 9 8 年1 月，w c d m a 被选择为成对频带( 频分双工) u m t s 系统陆地 空中接口方案。对于不成对频带( 时分双工) ，选择了时分c d m a 的概念。宽带 c d m a 的选择同时得到了亚洲和美洲g s m 运营者的支持。1 9 9 8 年3 月，美国采用 了一种后向兼容i s - 9 5 的宽带c i m 协框架，称为c d m a 2 0 0 0 。我国积累多年的研究 成果，提出了自己的标准方案，即t d - s a ) m a 标准。调查显示，宽带c d m a 将 成为3 g 系统的最佳多址接入方式。 宽带c d m a 具有5 m i - z 或更宽的带宽。所有3 g 系统建议的标称带宽均为 5 v l h z 。选择这一带宽有多种原因。首先，1 4 4 和3 8 4 k b i t s 数据速率是3 g 系统的主 要目标，在5 m h z 带宽内可以获得这速率并具有适当的容量。在限定条件下 甚至可以获得2 m b i t s 的峰值速率。第二，缺乏要求合理的最小频谱分配，尤其是 系统必须部署在已被第二代占用的现有的频带。第三，5 m i q z 带宽与较窄带宽相比 可以解决多径问题，提高分集增益并因此改善性能。为了更有效地支持更高的数 据速率，已经提出了1 0 、1 5 和2 0 m h z 等更大的带宽 3 , 4 1 。 1 1 2l a s c d m a 技术 l a s - c d m a 技术是一种新的扩频技术，以一种创新的基于l a 码和l s 吗 ( l a s 码) 的扩频编码方案为特征，可以降低系统自身产生的干扰，提高频谱效 率和系统容量。l a s c d m a ( 大区域码分多址接入) 技术。是由北京邮电大学李道本 北京邮电大学硕士学位l a s c d m a 系统中的链路自适应技术研究 教授提出的一种以智慧码为核心的新一代c d m a 技术。其创新之处在于：l a s c d m a 是噪声受限的新型c d m a 技术，以一种创新的基于l a 码和l s 码( l a s 码) 的扩频编码方案为特征，其自身无干扰，系统容量仅受接收噪声电平限定。 l a s 码克服了传统c d m a 系统的致命伤“远近效应”，即一个近距离强信号的相 关副峰有可能压过一个远距离弱信号的相关主峰。l a s - c d m a 系统使用的l s 码 是一种具有“零相关窗”的互补正交码，l s 码的使用，使小区内存在“零相关 窗”，即窗内没有自相关和互相关副峰，远近效应将可能完全消失，系统将有远 比现有系统大得多的容量，所以又可称为“无干扰窗口”( i f w - i n t e r f e r e n c ef r e e w m d o w ) 。因此，l a s - c d m a 具有理论上最高的频谱效率，无需众多复杂而昂贵 的辅助技术，就能获得比现有任何3 g 系统优越得多的性能【5 】。2 0 0 0 年3 月，l a s c d m a 被世界标准组织3 g p p 2 接受为c d m a 2 0 0 0 单载波增强方案之一。2 0 0 1 年9 月，利用l a s - c d m a 技术特点和优势开发的t d - l a s 准商用化系统在上海实验网 测试成功，在1 6 m i - i z 的带宽上实现了上行6 4 k b p s 、下行3 8 4 k b p s 的数据传输速 度，并实现了3 8 4i a , p s 高速数据活动图象和8k b p s 低速数据话音等不同传信率信 号在同一载波的同时传输，证明了l a s - c d m a 技术是一项跨越、自主、兼容三性 兼备的创新技术，完全可以满足新一代移动通信对大容量、高速率、低干扰、多 媒体( 话音数据同传) 和省投资( 多制式兼容与装备简化) 的综合要求。l a s c d m a 技术作为一种具有完全自主知识产权的创新技术，为我国摆脱国外公司技 术控制，生产真正的中国手机提供了新的机遇，不仅帮助我国电信行业节省在3 g 网络上的昂贵投资，同时对我国国民经济的发展具有深远意义。 1 2 差错控制技术 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问 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： rp 、 。胁1 1 + 赢j 州引( 1 - 1 ) 其中，p 为平均发射功率，n o 为加性噪声耐功率密度谱，w 为信道带宽。 文献同指出：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，部不能 达到可靠、无差错的传输效果。 北京邮电大学硕士学位l a s c d m a 系统中的链路自适应技术研究 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。 1 _ 2 j 1 纠错码的发展历史 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，证明了最优分组码的误码率随着码长的增加呈指数关系下降 7 】。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较大。若采用最大似 然译码，其译码复杂度将随码长里指数级增长，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【7 j 。 e l i a s 于1 9 5 5 年提出了卷积码的概念圈。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里指数下降。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 9 1 1 t o i 0 1 l 。 为了解决长码性能优良但译码复杂度高的矛盾。f o r n e y 于1 9 6 6 年设计了级 联码1 1 2 l 。通常，级联码由不同的邂逻华( g a t 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 m 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 码是以r e e ds o l o m o n 玛作为外码，的i 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， 截止速率岛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 议上提出了采是j 重复迭代译码方式的并行级联码嫩q 码【1 3 1 ：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 d m 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 尼，接收信噪比为o 5 d b 时，t u r b o 码的误码率( b e r ) 性能可达到1 0 _ 5 ，该性能 距香农极限仅仅相差o 5 d b 。而且，t u r b o 码在码率高于截止速率月。时。也能实现 北京邮电大学硕士学位l a s - c d m a 系统中的链路自适应技术研究 低误码概率，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 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 码的理论基础，完善其理论体系，并形成 了如t u r b o 卷积码( t c c ) 、t u r b o 乘积码( 1 p c ) 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。 1 - 2 2 纠错码的应用领域及其相关技术 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【1 4 1 。 例如，在i s 9 5 移动通信系统中，前向业务倍道采用( 2 ，1 ，9 ) 卷积纠错码， 而反向业务信道则采用( 3 ，1 ，9 ) 卷积纠错码。w c d m a 系统采用了并行级联 t u r b o 卷积纠错码，其约束长度为4 ，系统递归卷积码生成多项式为( i 3 ，t 5 ) ， 编码码率为l 3 。 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了纠错编码技术。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。丽且，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。 随着计算机的广泛应用，纠错码技术在保证数字磁记录正确性方面也扮演了 重要的角色。通常，在磁记录系统中，由于存储介质磁带本身缺陷及应用中人为 的损伤，将造成较长的突发性记录错误。如果这些错误不能得以解决，将会大大 降低系统的性能。为了纠正突发误码，一般采用两级r s 码级联，同时结合交织 器，从而使系统的性能得到很大地提高，满足了磁记录对差错概率的要求。 此外，在现代通信领域，纠错码通常还与系统的其他技术环节进行综合设 计，使系统达到整体性能最优，例如： 6 北京邮电大学硕士学位l a s c d m a 系统中的链路自适应技术研究 1 纠错码与调制映射相结合；该技术所产生的调制符号序列具有最大的欧 氏自由距离，可提高系统的频带利用率旧【1 7 1 1 8 1 。 2 纠错码与自动反馈重传( a r q ) 技术相结合以增强系统的差错控制能力 1 9 1 。 3 纠错码与调制模式、自适应策略、信道估计技术相结合，形成的自适应 编码调制技术，使通信系统能根据信道状态合理地调整传输模式，从而 提高了系统的频带利用率和抗干扰能力 2 0 1 。 其中，自适应编码调制( a m c ) 和混合自动重传请求( h a r q ) 技术以其较 高的系统频带利用率、灵活的传输机制、较强的纠错能力，已成为当代和未来通 信系统研究中重要的领域之一。 1 3 关于本课题研究 1 3 1 课题研究的意义 1 t u r b o 卷积码以其卓越的性能引起了编码界的极大关注，该码所涉及的软 输入软输出迭代思想已经被广泛应用在多种码型的译码算法上。熟悉和 理解t u r b o 卷积码的编译码原理对于设计性能更优的码型和译码算法将起 到积极的指导意义。但是，由于交织器的延时和译码算法的复杂性，传 统t u r b o 卷积码的译码速率受到很大限制，难以适应新一代蜂窝移动通信 系统对高速率译码的迫切需求。近年来发展的t u r b o 乘积码( t p c ) 具有 译码简单、性能优良的特点。因此，针对新一代蜂窝移动通信系统的技 术特征，进行t i c 的译码算法分析和应用研究，则具有理论和实际意 义。 2 作为新一代蜂窝移动系统的l a s - c d m a 系统要在有限的频谱资源上支持 高速率数据和多媒体业务的传输，则必须采取频谱利用率高的抗信道衰 落技术来提高系统的性能。研究自适应编码调制技术和混台自动重传请 求技术对于进一步提高l a s - c d m a 系统的传输容量和传输质量具有重要的 作用。 1 3 2 论文的主要内容 在第二章为了更好地设计信道纠错码和自适应通信系统，对于移动通信的 7 北京邮电丈学硕士学位l a s - c d m a 系统中的链路自适应技术研究 几种典型传输信道环境进行了重点分析。第三章介绍了t u r b o 卷积码和t u r b o 乘积 码编译器原理，重点介绍了一种新的t u r b o 乘积码基于伴随式译码的乘积码迭代译 码器，并在l a s 2 0 0 0 + 的系统环境下进行了仿真。第四章介绍了自适应编码调制原 理，在l a s 2 0 0 0 + 系统环境下结合t u r b o 乘积码进行了性能仿真。第五章介绍了混 合自动重传请求( h a r q 原理并在l a s 2 0 0 0 + 系统环境下进行了性能仿真。第六 章对全文进行了总结，并提出尚待解决的问题和进一步的研究方向。 北京邮电大学硕士学位l a s - c d m a 系统中的链路自适应技术研究 第2 章移动无线信道 移动通信系统的性能主要受移动无线信道的制约。在无线传播环境中，发射 机与接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的视距传播到遭遇各种复杂的地 物。移动无线信道不同于有线信道那样固定可预见，传播的开放性、接收点地理 环境的复杂性和多样性、以及通信用户的随机移动性是移动无线信道的特征。移 动通信中的各种新技术，都是针对移动无线信道的特点，以解决移动通信中的有 效性、可靠性和安全性为目标而设计的。 本章第一节概括了移动无线信道对传输信号的三种效应以及产生的三类损 耗；第二节具体分析了移动无线信道快衰落的多普勒频移特性，以及多径接收信 号的统计特性；第三节从时域和频域角度分别阐述了移动无线信道的多径传播特 性对数字传输的影响；第四节描述了平坦衰落与频率选择性衰落两种实用信道模 型；最后一节给出了移动通信系统设计中三种典型的无线环境。 2 1 移动无线信道对传输信号的影响 移动无线信道是一种时变信道，无线电信号通过移动无线信道时会遭受来自 不同路径的衰减损害。一般说来，这些损害可归纳为三类。若用公式表示，接收 信号功率可表示为 p ( 孑) 爿云l “t s t 孑) 兄( 孑)( 式2 1 ) 式中，i 孑i 表示移动台与基站的距离。矢量孑表示了距离的方向性。当移动台 运动时，距离又是时间的函数。由上式可以看出，移动无线信道对传输信号的作 用有三类： 自由空间传播损耗与弥散，用i 孑r 表示，其中1 1 一般为3 q 。 阴影衰落，用s ( 孑) 表示。这是由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障 碍物对电波遮蔽所引起的衰落。 多径衰落。用r ( d ) 表示。这是由于移动传播环境的多径传播而引起的衰落。 多径衰落是移动无线信道特性中最具特色的部分。 上述三种效应表现在不同的距离范围内产生三类不同的损耗【1 4 1 。 路径传播损耗：又称衰耗，指电波在空间传播所产生的损耗，反映了传播在 宏观大范围( 公里量级) 的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势，即长 9 北京邮电大学硕士学位l a s c d m a 系统中的链路自适应技术研究 区间中值随距离基站的距离而变，其衰减特性一般服从d “律。 慢衰落损耗：由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等阻挡所产生的阴影 效应而产生的损耗，反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而产生 的损耗，一般遵从对数正态分布。因其变化速率较慢又称为慢衰落或大尺度衰 落。在较大区间内对短区间中值求平均可得长区间中值。 侠衰落损耗：由于多径传播而产生的衰落，反映微观小范围内数十波长量级 接收信号场强的瞬时值呈现快速变化而产生的损耗，一般遵从瑞利( r a y l c i g h ) 分 布或莱斯( r i c i a n ) 分布。因其变化速率较快，又称快衰落或小尺度衰落。在数十 波长范围内对信号求平均可得短区间中值。 从无线系统工程的角度看，传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆 盖，合理的设计总可以消除这种不利影响。而多径衰落严重影响信号传输质量， 并且是不可避免的。在下面的内容中将详细讨论移动无线信道快衰落及其对无线 信号传输的影响。 2 2 移动无线信道快衰落 移动台天线一般比较低，行进予城市，建筑群或地形阻挡时会产生阻挡，发 射的信号要经过直射、反射、散射等多条路径才能到达接收端，而且随着移动台 的移动，各条传播路径上的信号幅度、时延及相位随时随地发生变化，接收机天 线将它们合成一个幅度和相位都急剧变化的信号，移动无线信道的多径性导致快 衰落的产生f 2 l l 。三个主要效应表现为； 经过短时或短距传播后信号强度的急速变化 在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移( d o p p l e rs h i f t s ) 引起的随 机频率调制。 多径传播时延引起接收信号的时延扩展( 回音) 2 - 2 1 多普勒频移 当移动台以恒定速率v 在长度为d ，短点为x 和y 的路径上运动时收到来自 远端源s 发出的信号如图2 1 所示。 无线电波从源s 出发，在x 点与y 点分别被移动台接收时所走的路径差为 a l = d c o s 0 = v a t c o s 8 。这里f 是移动台从x 运动到y 所需的时间，臼是x 和y 处与入射波的夹角。 0 北京邮电大学硕士学位 l a s c d m a 系统中的链路自适应技术研究 s 图表2 - 1 勒效应示意图 由于源端距离很远，可设x 和y 处的目是相同的。所以，由路程羞造成的接 收信号相位变化值为 妒：2 e _ r a l ：2 z r v _ z x tc o s c o s 目( 式2 2 )妒= = 6 ， ( 瓦) ，l 由此可得出频率变化值，即多普勒频移正为 ，：上丝：兰c o s p喊2 3 ) 2 a - 址z 由上式可以看出，多普勒频移与移动台运动速度及移动台运动方向，与无线 电波入射方向之间的夹角有关。若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为 正，接收频率上升。若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负，接收频 率下降。信号经不同方向传播，其多径分量造成接收信号的多普勒扩散，因而增 加了信号带宽。 2 - 2 2 多径接收信号的统计特性 考虑到多普勒频移的影响，处于运动中的移动台的接收信号可以表示为 j ( f ) ：嘞c o s ( 9 0 。f + d r 五f + ) ( 式2 4 ) 1 一 a o 为接收信号的随机幅值，纯为电波到达相位，= 等，i 为传播路径长 度。为了对多径信号作出数学描述，首先给出下列假设： 在发射机与接收机之间没有直射波通路： 有大量反射波存在，且到达接收机天线的方向角是随机的，相位也是随 机的，且在0 2 石之间均匀分布： 北京邮电大学硕士学位l a s c d m a 系统中的链路自适应技术研究 各个反射波的幅度和相位都是统计独立的。 一般说来，在离基站较远、反射物较多的地区，是符合上述假设的。在上述 假设鍪降下，接收信号可以表示为 ( f ) ：羔q c 。s ( 珊。f + 2 石 c 。s o r + 锻) ( 式2 5 ) 这里q 为每径信号的幅值，移为每径信号的到达相位，只是入射角，它们都 是随机变量。令瞄= 2 石c o s 只f + 移，则 n i j ，( f ) = qc o s ( g o 。t + a ，) j = l = l ( t ) c o s o 。卜正( t ) s i nc o 。f 其中 i o ) = q c o s q t a t ) = a + s i n a ( 式2 6 ) 【式2 7 ) t a t ) 和c ( f ) 分别为s ( t ) 的两个角频率相同的相互正交的分量，当n 很大 时，t o ) 和t ( f ) 是大量独立随机变量之和。根据中心极限定理，大量独立随机变 量之和接近正态分布。因而，( ，) 和t ( f ) 是高斯随机过程。 记t 和r 分别为某时刻t 时相应于i ( f ) s n t 。( t ) 的随机变量，则t 和i 服从正 魍，= 去囊 觚，= 壶囊 c 娴 这里吒和盯。分别为i 和i 的方差。可以证明，e 和l 具有零均值和相等的方 差，即 # 】- e t 2 】- o c = 仃。= d ，且i 和t 的协方差为零，即e 旺f 】= o ，娜 北京邮电大学硕士学位l a s - c d