（通信与信息系统专业论文）基于有限反馈的ltea下行系统码本设计及关键算法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着第四代移动通信技术的兴起，学术界对l t e a d v a n c e d 的研究也不断增长，近 年来，基于有限反馈的m i m o 增强技术受到很大的关注。3 g p p 协议指出l t e a 系统 下行峰值速率目标为1g b p s 。而如此高的下行峰值速率要求l t e a 下行系统的天线数 目必须扩展到8 根，但目前3 g p pl t er e l e a s e8 标准的码本只有4 天线配置，因此有必 要为l t e a 系统重新设计8 天线码本。本文提出了一种适用于l t e a 下行系统的8 天线码本方案。该方案使用酉矩阵和旋转矩阵，结合d f t 码本以及l t er e l e a s e8 码本， 不仅保持后向兼容性，而且继承了l t er e l e a s e8 码本的优良特性。理论分析和模拟仿 真证实了本方法的有效性。 本文首先介绍了有关码本技术背景，并结合码本介绍了有限反馈在无线通信系统中 的应用。这些应用有协方差量化、波束赋形、空间复用线性预编码等。其次基于l t e r e l e a s e8 版本的物理层协议，进行了链路级仿真平台p d s c h 发送模块的搭建工作。 接着对包括码本设计在内的预编码模型进行了介绍。然后根据具有代表性的l t e r e l e a s e8 码本和三星码本，对大家比较公认的码本设计原则进行了说明。最后介绍本 文提出的码本算法的主要思想：结合8 x 8 维度的d f t 码本在非相关信道的优势，在l t e r e l e a s e8 码本设计的基础上，特别针对双极化信道状态矩阵的块对角化特征，设计了 对应的旋转块对角化矩阵算法来生成l t e a 码本。这样设计的优点：继承l t er e l e a s e 8 码本的恒模特性、8 - p s k 有限字符表特性、嵌套特性等优良特性，而且具有l t e a 系 统的后向兼容性，特别是在双极化信道下本文设计的码本性能表现优秀。对具有代表 性的l t er e l e a s e8 码本和三星码本进行理论反馈开销和复杂度分析，并在双极化信道、 非相关信道和相关信道环境进行仿真，仿真结果进一步证明了本文提出的码本算法性 能优良，能够有效提高系统的吞吐量和降低系统误块率，所以是一种适用于 l t e a d v a n c e d 高效的码本设计方案。 关键词：l t e a ；有限反馈；码本设计 a b s t r a c t w i t ht h er i s i n go ft h ef o u r t hg e n e r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a c a d e m i c r e s e a r c ho nt h el t e a d v a n c e di sa l s og r o w i n g i nr e c e n ty e a r s ，m i m oe n h a n c e m e n t s t e c h n o l o g yb a s e do nt h el i m i t e df e e d b a c ki sc o n c e r n e d 3 g p pp r o t o c o l3 6 9 13p o i n t so u tt h a t l t e as y s t e ms h o u l dt a r g e tad o w n l i n kp e a kd a t ar a t eo f1 g b p s ，s oi tr e q u i r e st h en u m b e r o fa n t e n n am u s tb ee x t e n d e dt oe i g h ti nd o w n l i n kt r a n s m i s s i o ns y s t e mo fl t e - a a tp r e s e n t ， t h ec o d e b o o ko f3 g p pl t er e l e a s e8s t a n d a r dc o d e b o o ko n l ys u p p o r t sf o u ra n t e n n a s ， t h e r e f o r e ，t h ed e s i g n a n dr e s e a r c hf o rac o d c b o o kb a s e do nl i m i t e df e e d b a c k s u p p o r t i n ge i g h ta n t e n n a sa n d i t sk e ya l g o r i t h mi sn e c e s s a r yi nl t e ad o w n l i n ks y s t e m t h i st h e s i sp r o p o s e sac o d e b o o km e t h o dd e s i g n e df o re i g h ta n t e n n a si nd o w e n l i n ks y s t e mo f l t e a t h ep r o p o s e dm e t h o du s e st h er o t a t i o no ft h ed f t - b a s e dc o d e b o o k ，a n dr e u s e st h e l t er e l e a s e8c o d e b o o k ，n o to n l yt om a i n t a i nb a c k w a r dc o m p a t i b i l i t y , b u ta l s oi n h e r i tt h e g o o d c h a r a c t e r i s t i c so fl t er e l e a s e8c o d e b o o k t h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dc o m p u t e r s i m u l a t i o nc o n f i r mt h ev a l i d i t yo ft h em e t h o d f i r s t l yt h i st h e s i sd e s c r i b e st h et e c h n i c a lb a c k g r o u n da b o u tt h ec o d e b o o k ，a n dd e s c r i b e s t h ea p p l i c a t i o na b o u tc o d e b o o ko fl i m i t e df e e d b a c ki nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e a p p l i c a t i o nc o n t a i n sq u a n t i t a t i v ec o v a r i a n c e ，b e a m f o r m i n g ，s p a t i a lm u l t i p l e x i n gw i t hl i n e a r p r e c e d i n g s e c o n d l y , b a s e do nt h el t er e l e a s e8o ft h ep h y s i c a ll a y e rp r o t o c o l s ，p a r to f p d s c hs e n d i n gm o d u l eo ft h el i n kl e v e ls i m u l a t i o np l a t f o r mi sb u i l t t h e ni n c l u d i n g c o d e b o o k ，p r e c e d i n gm o d e li sd e s c r i b e d a c c o r d i n gl t ec o d e b o o ka n ds a m s u n gc o d e b o o k ， t h er e c o g n i z e dd e s i g np r i n c i p l e so fc o d e b o o ka r ed e s c r i b e d f i n a l l y , w ei n t r o d u c eo u ri d e ao f t h e p r o p o s e d c o d e b o o k ：w i t hc o m b i n i n gt h e a d v a n t a g e so f8 x 8d f tc o d e b o o k i n n o n c o r r e l a t e dc h a n n e l ，b a s e do nl t er e l e a s e8c o d e b o o k ，w ed e s i g no ft h ec o r r e s p o n d i n g r o t a t i o nb l o c k d i a g o n a l i z a t i o nm a t r i x f o rd u a l - p o l a r i z e dc h a n n e lt o g e n e r a t et h el t e - - a c o d e b o o k t h i sh a st h ea d v a n t a g e st h a ti tc a nn o to n l ym a i n t a i nt h eb a c k w a r dc o m p a t i b i l i t y o fl t e - a ，b u ta l s oi n h e r i tm a n yg o o df e a t u r e so ft h el t ec o d e b o o k w ea n a l y s i st h e f e e d b a c ko v e r h e a da n dt h e c o m p l e x i t y o f r e p r e s e n t a t i v el t e r e l e a s e8c o d e b o o k a n ds a m s u n gc o d e b o o ki nt h e o r e t i c a l ，a n ds i m u l a t et h e mi nt h e c o r r e l a t e dc h a n n e l ， n o n - c o r r e l a t e dc h a n n e la n dd u a l - p o l a r i z e dc h a n n e l r e s p e c t i v e l y t h e s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fp r o p o s e dc o d e b o o ka l g o r i t h ma r e e x c e l l e n t ，i tc a n e f f e c t i v e l yr e d u c et h eb l o c ke r r o rr a t e ，a n da l s oi m p r o v et h es y s t e mt h r o u g h p u t ，s ot h a ti ti sa s u i t a b l ed e s i g na n de f f i c i e n tc o d e b o o kf o rl t e as y s t e m k e yw o r d s ：l t e - a ：l i m i t e df e e d b a c k ；c o d e b o o kd e s i g n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景和研究意义 第1 章绪论 第三代移动通信技术( 3 g ，t h e3 t dg e n e r a t i o n ) 在世界范围已投入运营，而被称为 3 5 g 标准的l t e 通信协议也已冻结。因此，i m t - a d v a n c e d4 g ( t h e4 t dg e n e r a t i o n ，第 四代移动通信技术) 无线通信标准成为产业界和学术界的研究重点。作为4 g 候选者的 l t e a 技术( l t e a d v a n c e d ，l o n g t e r me v o l u t i o n a d v a n c e d ，l t e 技术的后续演进) 采 用多天线增强技术作为物理层的核心技术。由于可以通过扩展空间的传输维度而成倍 地提高系统性能，因此多天线( m 1 m o ，m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 增强技术备受关 注，也成为l t e a 协议标准化的热门议题。 在l t e 下行系统多天线的多种传输模式基础上，l t e a 要求支持下行最高为8 根 天线的多天线配置，同时增强型的空分复用被认为是l t e a 的重点之一。3 g p p 协议 3 6 9 1 3 协议文献 1 指出l t e a 下行系统应达到1 g b p s 峰值速率，从而要求l t e a 下 行系统的天线数目必须扩展到8 根。2 0 0 8 年d a v i dj l o v e ，r o b e r tw h e a t h 等人在文献 2 】中指出在实际系统中，m i m o 技术的巨大优势很大程度上取决于发射侧能否获取信 道状态信息( c s i ，c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 进行预编码。对于m i m o 系统，由接收 侧反馈一部分信道状态信息能够达到很好的系统性能。 2 0 0 9 年吴敏、沈超、裘正定指出：在信道状态信息的众多反馈方法中，最有效的 反馈方法是构造一个收发两端都已知的码本( c o d e b o o k ) ，接收侧进行信道估计后，将 信道估计得到的信道向量量化到该码本中的某个码字( c o d e w o r d ) 上，并将该码字的 指示索引反馈给发射侧，这就是有限反馈( l i m i t e df e e d b a c k ) 3 1 。l t e a 是一种利用 码本( c o d e b o o k ，也叫码书) 进行信道状态信息反馈的系统。码本是关于所有可能值 ( 可为标量变量或向量变量) 的有序集合，它存在于u e ( u s e re q u i p m e n t ，用户设备) 和e - n o d eb ( e n b ) ( e v o l v e dn o d eb ，演进型n o d eb ) 收发两侧，码本设计的优良与 否将对降低硬件复杂度和提高系统性能产生重要影响，从而码本设计成为影响系统的 关键技术。因此有必要对l t e a 系统中基于有限反馈的码本及其关键算法进行设计和 研究。 1 2 国内外研究现状 2 0 0 8 年3 月i t u r 发出通函，向各成员征集4 g 候选技术提案，正式启动了4 g 标准化工作。在迪拜召开的i t u rw p 5 d 会议上，i t u 确定了4 g 最小需求，包括小区 频谱带宽、峰值频谱、移动性、时延等8 个技术指标，成为衡量一个候选技术是否能 够成为4 g 技术的关键指标4 朝。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 而3 g p p 以独立成员的身份向i t u 提交面向4 g 技术的l t e - a d v a n c e d 。从2 0 0 8 年 3 月开始，3 g p p 就展开了面向4 g 的研究工作，并制定了详尽的时间表，与i t u 的时 间流程紧密契合。 2 0 0 9 年l o 月1 4 日至2 1 日，国际电信联盟在德国德累斯顿举行i t u rw p 5 d 工 作组第6 次会议，l t e a d v a n c e d 入围，包含t d d 和f d d 两种制式。 鉴于日益珍贵的频率资源，l t e a d v a n c e d 多天线增强技术由于通过扩展空间的传 输维度而成倍地提高信道容量而被多种标准广泛采纳。受限于发射天线高度对信道的 影响，l t e a 系统上行和下行多天线增强的重点有所区别。在l t e 系统的多种下行多 天线模式基础上，l t e a 要求支持的下行最高多天线配置规格为8 x 8 ，同时空分复用增 强技术被认为是标准化的重点之一，而码本的设计和研究就是基于空分复用的多天线 增强技术。 码本的设计研究和实际使用与有限反馈有着密切的联系，信道信息就是通过接收 侧的码本反馈给发送侧。通信系统中的反馈历史源于香农和其他早期的工作，而现在 实际系统中使用的反馈技术就是有限反馈技术。2 0 0 3 年a p a u l r a j ，r n a b a r 和d g o r e 等学者在文献 4 】中给出了尝试使用不完美的信道信息去设计码本，使用的是面向m i s o ( m u l t i p l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统的信道统计信息。其总体思路是：通过训练( t r a i n i n g ) 等技术，接收侧进行信道估计，然后根据信道知识，用向量量化技术来量化信道响应函 数，根据协方差最大化来设计码本。2 0 0 3 年和2 0 0 4 年r s b l u m 和v l a u 、y l i u 及 t a c h e n 设计了一个固定协方差的码本，目标是使平均速率最大化【5 】【6 1 ，其结果取决于 信道固有的分布情况。2 0 0 6 年d j l o v e 和a d d a b b a g h 等作者对协方差码本进行改进， 提出协方差随机化的设计方法【7 】，其反馈比特数以索引的方式减少。2 0 0 7 年 h z h a n g s w e i 等人提出有效使用统计特性可以进一步促进有限反馈码本的设计和发 展 8 1 。 2 0 0 8 年3 g p pl t er e l e a s e8 标准采用基于h o u s e h o l d e r 变换的4 天线码本【9 】，2 0 0 9 年m a r v e l l 提出l t e 码本的设计思路并不适用于l t e - a8 天线码本，因为8 维向量通 过h o u s e h o l d e r 变换后不能保证码本的恒模特性【4 7 1 。因此需要新的的方法产生l t e a 码本。3 g p pl t er e l e a s e8 码本将在第4 章详细阐述。 多家公司提出了自己的标准和技术方案，为l t e a 的发展做出了重大贡献。具有 代表性的是三星公司提出一种基于c o m p l e xh a d a m a r dt r a n s f o r m a t i o n ( c h t ) 的码本， 继承了l t er e l e a s e84 天线码本几乎所有的优秀特性【1 0 1 。三星码本将在第4 章详细阐 述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 主要内容及组织结构 本论文的工作是以作者在中国科学院计算技术研究所所属的无线通信技术研究中 心实习期间的工作基础上完成的，主要工作包括两部分。一部分是链路级仿真平台的 搭建，是计算所重大专项和标准化支撑项目未来无线通信系统空口技术仿真平台的一 部分；另一部分是基于有限反馈的l t e a 下行系统的码本设计算法研究。码本用于物 理层预编码模块的闭环空间复用模式中，其性能对实际系统的硬件复杂度、误块率以 及吞吐量有着重要的影响。本文主要研究基于有限反馈的l t e a 下行系统的码本设计 及其关键算法，依据现行3 g p pr e l e a s e8 标准的l t e4 天线码本和具有代表性的三星 码本，本文进行了l t e a8 天线码本算法设计，分别对相关信道、非相关信道、双极 化信道进行了码本算法仿真和分析。 本文的组织结构分为四部分，分别如下所述： 第1 章绪论，介绍l t e a 的研究背景和意义、研究现状、主要内容和论文结构。 第2 章结合码本的设计和发展，介绍有限反馈在无线系统上的应用，为第4 章码 本设计做了一定的铺垫。本章首先对有限反馈系统进行概述；然后结合码本算法和设 计，介绍有限反馈在通信系统上的应用：协方差量化、波束赋形、空间复用线性预编 码，以及对有限反馈弊端进行阐述，最后对本章进行小结。 第3 章基于3 g p pl t er e l e a s e8 物理层协议，介绍物理层下行链路级仿真平台 p d s c h 发送部分的搭建工作。本章首先介绍了物理层的位置；物理层过程的模块很多， 从大的方面可以分为发送部分、信道和接收部分。本章把发送部分划分为下行共享信 道和下行物理信道，每个信道又划分为若干个小模块，对每个小模块进行说明。最后 对本章进行小结。 第4 章对3 g p pl t e a 下行码本设计和关键算法进行比较、分析和仿真。本章比 较系统地介绍了l t e a 码本的预编码模型、具有代表性的l t er e l e a s e8 码本和三星码 本算法、码本设计原则、码本关键算法的具体设计，以及l t er e l e a s e8 码本和三星码 本复杂度分析，对仿真结果的比较和分析，进一步证明了本文提出的码本算法能够有 效降低系统误块率，提高系统的吞吐量。本章的工作新意是基于l t er e l e a s e8 码本设 计的基础上，结合d f t 码本在相关信道和非相关信道的优势来设计l t e a 码本。并且 针对双极化信道状态矩阵的块对角化特征，特别设计对应旋转块对角化矩阵来生成 l t e a 码本。最后是本章小结。 本文最后对全文进行总结，并对下一步工作进行展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章有关码本的有限反馈 本章首先从无线系统信道信息入手，引出有限反馈系统，并对其进行概述；然后 结合码本相关知识，具体阐述有关码本的有限反馈在无线通系统上的应用，为第4 章 码本算法设计做准备。 2 1 有限反馈系统概述 在无线通信系统中，采用自适应信道信令技术几乎在所有性能指标上都可以产生 大的改善。不足的是，过去因为在发射侧获取信道信息方面存在问题，所以许多自适 应信道技术被认为不切合实际，在许多通信系统( 如采用频分双工) 中，发射侧不能 充分提供技术( 比如训练技术) 去获取信道状态信息。纵观近些年的多次研究和实践 表明：允许接收侧发送少量的当前信道比特信息到发送侧，可以让系统几乎最佳适应 一j _ 厶 1 吾追。 这些实际受限或者反馈有限的系统，在最初设计时，假设提供完美信道知识。近 几年随着通信系统的发展，无线数据传输的速率大幅度地增加了。下一代系统j 下准备 利用各种不同的信道自适应技术。这些各种各样信令方法允许发送侧自适应于传播环 境。这意味着发送侧需要无线信道环境的某些信息，这些信息经常被称为发送侧的信 道状态信，g ( c s i t ，c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) a tt h et r a n s m i t t e r ) 。 一个大的创新是使用反馈来克服实际瞬时信道自适应方面的挑战。系统反馈使用 反向链路上的低速数据流来为前向链路的发送侧提供信息。这些信息传达了前向链路 的一些情况( 比如说信道状态，接收功率等) ，以及发送侧使用这些信息去适应前向链 路传输。随着系统场景的改变，反馈值也跟着变化。尽管如此，一般来说，当信道引 入一些接收侧不能单独处理的干扰( 比如空间干扰，码间干扰等) ，反馈值也会变大。 这些反馈信息是数字的也可以是模拟的，本章介绍有限反馈的数字反馈。 通信系统中的反馈历史源于香农和其他早期的工作，见文献 1 1 ， 1 2 】， 1 3 】， 1 4 】， 1 5 1 ，而现在使用反馈的兴趣在继续浓厚。本章有限反馈应用的研究状况是指现在在无 线通信系统中的有限反馈应用，特别在多输入多输出( m i m o ) 系统方面的应用。 2 2 有限反馈在多天线系统中的应用 有限反馈在多天线上的应用近来引起很大的关注【8 】【1 7 】【1 8 】【1 9 】。h z h a n g 和s w e i 等 人提出使用统计特性以进一步促进有限反馈码本的设计和发展【8 1 。通过适应多种信道场 景和相当大的潜在可利用的优势，有限反馈成为一个非常有吸引力的选择，在预编码 码本算法设计方面有着广泛的应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 一个窄带多天线系统在第k 信道表达式如下： y k 】= 【七 j 【七】+ n k 】 ( 2 一1 ) 假设有m 。发送天线和以接收天线。川尼】是一个m ，维接收向量。x k 】是一个 m ，x m 。信道响应矩阵，x k 】是m 。维发送向量，n k 】是以维假设服从独立正态分布 的噪声。发送功率分配满足要求e h x i ix k 川2 】p 。 关于信道时间演化模型，如果引入块衰落概念，则第t 信道块满足 h t k c 】= 【f k c + 1 】= o + 1 ) k c 一1 】= t 】 ( 2 - 2 ) 其中e 。是衰落块的长度。由于功率限制，第t 块满足 e z | lx k | i ：i 研七 】= z t 】sp ( 2 3 ) 如果没有特别指出的话，默认p t = p ，即所有信道块发送功率相同。 在多天线系统中，有限反馈主要有协方差量化、波束赋形和空间复用线性预编码 等方式。 2 2 1 协方差量化 当发送和接收侧都完美地知道信道信息，a g o l d s m i t h 等人在文献 1 6 中给出了遍 历性容量公式： 刀= e 咖舢m a ，x ：q , q _ o l 0 9 2 d e t ( j r + 删爿) 】( 2 - 4 ) 其中口是用以实现信号传输的每个独立的瞬时信道的协方差，表示单位矩阵，其对应 的维度与后面矩阵一致，d e t 表示矩阵的行列式，h 的上标表示矩阵的共轭转置。 该协方差包含空间功率分配和单位预编码的信息。需要指出的是空间功率分配很重要， 特别是发送天线数目多于接收天线数目的情况。基于信道反馈，研七】最优化： o k 】_a r g m a xl 0 9 2 d e t ( i + 尼 甜月【尼 ) ( 2 - 5 ) q ：t r ( q ) o 对于一个有限速率反馈，一般假设接收侧通过训练等过程知道研尼】；使用信道知 识，接收侧用向量量化技术可以量化一些i t k 】函数。 2 0 0 3 年m s k o g l u n d 和g j o n g r e n 在文献 1 7 】指出发送侧关心的信道部分，是那些 允许第t 信道块协方差设计的部分。依此可推，接收侧可决定速率最优化协方差，以及 把它反馈回发送侧。使用发送侧和接收侧都知道的协方差矩阵码本0 = 0 l ，0 ，。) ， 接收侧搜索码本索引 f l o p t 七】= a r g m a x l 0 9 2 d e t ( i + 七】矾爿 七 ) ( 2 - 6 ) l j ， 。? - 。 图2 - 2 格拉斯曼流形线包( g r a s s m a n n i a nl i n ep a c k i n g ) 例子 最优化或接近最优格拉斯曼流形线包设计是一个具有挑战性的问题。2 0 0 3 年和 2 0 0 5 年t s t r o h m e ，r w h e a t h ，e x i a ，s z h o u ，g b g i a n n a k i s 在文献 2 6 ，【2 7 】提出的一个方 法是基于不同的集合来构造码本。2 0 0 6 年j c r o h ，b d r a o 在文献 2 8 】提出了量化码本 设计框架。其思路是先制定失真函数( 通常和损失率或s n r 损失相关) ，然后反复迭 代最小化失真函数获得局部最优解。用不同的可能随机化的最初集合的多次迭代，通 常产生一个近乎全局最优码。 当码本大小增长的时候，矢量量化设计也有非常好的分析性能。2 0 0 7 年j z h e n g ，b d r a o 在文献 2 9 呈现了空间相关矢量量化( v q ) 设计。g r a s s m a n n i a n 和矢量量化有限反 馈设计基于假设码本是固定的，以及信道改变时码本不变。另一个途径是在每个块上 随机地产生码本，发送和接收侧完美知道产生的随机码本。这种码本设计技术被称为随 机矢量量化( r v q ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 3 空间复用线性预编码 在波束赋形中，通过在波束赋形向量上调整数据符号，在空间发送数据流。线性 预编码把波束赋形思想延伸到空间发送多数据流。其输入输出数学模型为： y k 】_ 4 p u k f k s g + n k ( 2 - 15 ) 这里，f k 】是一个鸠x m 矩阵( m = b 的最d , k 值； k 为t u r b o 码内交织参数表满足k k 的最人k 值； c = f l o o r ( ( c l 一- b ) “k + - k ) ) ； c + = c - c ： f = c + k + c k b ： 图3 7 码块分段和c r c 再添加流程图 表3 2 传输信道使用的信道编码方案和编码速率 传输信道编码机制编码速率 u l s c h d l s c h t u r b oc o d i n g 1 3 p c h m c h 发送框图的c o d e 部分，在这里指信道编码。文献 3 0 指出信道编码分为咬尾卷积 码( t a i lb i t i n gc o n v o l u t i o n a lc o d i n g ) 和t u r b o 码( t u r b oc o d i n g ) ，根据表3 - 2 可知d l s c h 用的是t u r b o 码，本章用的是现成的程序。根据码块分段模块后的数据以及码块数目c ， 和表3 3t u r b o 码内交织参数表。表3 2 所示，t u r b oc o d i n g 的编码速率为1 3 ，故输出 一墓囊y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 的数据长度约为输入数据长度的3 倍。编码机制和编码速率见表3 2 。 文献【3 3 】指出t u r b o 编码机制是一个并行级联卷积码( p c c c ，p a r a l l e lc o n c a t e n a t e d c o n v o l u t i o n a lc o d e ) ，2 个8 状态自编码器和一个t u r b o 码内交织器。如表3 2 所示，t u r b o 编码速率为1 3 。 文献 3 4 给出t u r b o 编码结构如图3 8 所示。 。厂码器)爪：l q 、一 石)。m7 丫。_ 斤 7 l 广丫7 u7 u 土j u 则1 i 第二子编码器 ： 。，、石a 。 l 裔l 用7 工- 田- 田弋 7 l q 岁1 k 图3 - 8 编码速率为1 3 的t u r b o 编码器结构( 虚线仅应用于t r e l l i st e r m i n a t i o n ) 输入比特序号i 和输出比特序号n ( i ) 的关系如下： n ( o = b i + f 2 i 2m 。d k ( 3 3 ) 具体参数z 、 与码块大小k 的关系有关，见表3 3t u r b o 码内交织参数表。 iiiiil籼llillij， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 表3 - 3t u r b o 码内交织参数表 5 速率匹配 速率匹配( r a t em a t c h i n g ) 的功能是对信道t u r b o 编码后的每个码块分段数据进行 数据匹配，匹配后是一个传输块一次可用传输的总比特数g 。根据速率匹配类型“t u r b o 方式、冗余版本、软信道总比特数、一个传输块传输可用的总比特数等相关参数，输 出速率匹配后的数据及其序列长度g 。 文献 3 0 指出每个编码块和组成交织的3 个信息比特流d ：，碰u 和d ：2 1 ，以及比特 收集和循环缓冲器如图3 - 9 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 叫鲨p 虚拟循环 缓冲器i 图， 比特收 mi 集 i 吖孬卜 图3 - 9 速率匹配 子块交织是对输入数据进行一系列变换和操作，根据子块交织器列变换表进行子 块交织。比特收集、选择和传输，根据传输块软缓冲器的大小、块数目、码块长度、 冗余版本等参数，对子块交织器的输出进行选择修剪和合并。子块交织器列变换表3 4 如下： 表3 - 4 子块交织器列变换表 列变换样式 列数目瑶6 m 速率匹配过程针对的是码块分段后的每个码块，首先计算交织矩阵的维度和每个 交织矩阵填充比特数目；根据子块交织器列变换样式表确定第一个和第二个子块交织 器，而对于第三个子码块，交织器为原来的加1 ，并且需要对最后一列进行列循环移位； 第二步按照交织器进行填充和交织；第三步对第三个子码块交织器进行列循环移位； 第四步比特合并；最后比特删除。 速率匹配具体流程图如图3 1 0 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 根据t u r b o 编码后数据总比特数，予块交织器个数为3 ，输入 比特数据对应分为有3 个信息比特流，矩阵列数为3 2 ，从而 确定矩阵行数 根据子块交织器个数、矩阵列数和矩阵行数，确定每个交 织了块需要填充比特数目，从起始位置按行填充。 根据了块交织器列变换样式表确定第一个和第二个了块交 织器。对于笫三个子块交织器则任第一个子块交织器基础 上按给定公式进行改动，相当于在实际操作中变换矩阵行 列的顺序。 3 个信息比特流经过子块交织器，按列的形式 分别形成对应的3 个矩阵。 对经过子块交织后的3 个矩阵进行合并，称为比特收集，合 并的形式是筇1 个矩阵伞部放剑最前面，第二个矩阵和筇三 个矩阵的比特数据交替放在后面。 根据比特收集后的长度大小与 一个传输块一次可用传输的总比特数g 行比较，删除超出 的比特。操作方式为对非填充比特进行保留，一直达到g 的大小为止。 图3 1 0 速率匹配流程图 6 码块级联 码块级联的功能是呼应前面刚开始的一个传输块在码块分段中被分段成的多个码 块，经过一系列操作，在码块级联之后，又形成了一个传输块。对速率匹配后的每个 比特序列按照规则进行级联操作，对于不需要分段的码块，则不需要进行码块级联。 码块级联流程图如图3 1 l 所示。 图3 1 1 码块级联流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 3 2 2d l p c h d l p c h ( d o w n l i n kp h y s i c a lc h a n n e l ，下行物理信道) 可以分为7 个小模块，分 别为：1 加扰、2 调制、3 层映射、4 预编码、5 资源粒子映射、6 添加参考符号 和同步符号、7 生成o f d m 符号和插入c p 。d l p c h 的逻辑框图如图3 1 2 所示。 d l p c h d l p c h ：d o w n l i n kp h y s i c a lc h a n n e l 下行物理信道 s c r ：s c r a m b l i n g 加扰 i l o d ：m o d u l a t i o n 调制 u ：l a y e rm a p p i n g 层映射 p c ：p r e c o n d i n g 预编码 r 脚：r e s o u r c ee l e m e n t sm a p p i n g 资源粒了映射 g e n r s ：g e n e r a t er e f e r e n c es i g n a l 生成参考信号 g e n s y n c ：g e n e r a t es y n cs i g n a l 生成同步信号 o f d m 、c p ：c r e a t i n go f d ms y m b o l 、i n s e r tc p 生成o f d m 信号，插入循环前缀 图3 1 2d l p c h 逻辑框图 1 加扰 加扰模块的功能是防止比特流中连串0 或连串1 的出现。对于码块级联后的数据， 根据p d s c h 的n i d e e l l 、r n t i 标记等参数，结合加扰算法，对输入的数据进行加扰。 3 g p p 协议3 6 2 1 1 中6 3 1 节给出了加扰方式如公式( 3 4 ) ： 占( g ( f ) = b4 ( f ) + c ( g ) ( i ) ) m o d 2 ( 3 4 ) 其中6 ( - ( f ) 传输块q 加扰后的数据，6 ( a ( f ) 传输块q 加扰前的数据，i 是指传输块比特 的序号，c 幻( f ) 称为扰码序列，这是一种伪随机序列，即 c ( 刀) = “( 刀+ c ) + l ( n + n c ) ) m o d 2 ，、 x l ( 以+ 3 1 ) = g l ( 刀+ 3 ) + 五( n ) ) m o d 2 l 3 。，) j c 2 ( 以+ 3 1 ) = g 2 ( n + 3 ) + 工2 ( 以+ 2 ) + z 2 ( 刀+ 1 ) + j 2 ( n ) ) m o d 2 其中n c = 1 6 0 0 ，第1 个m 序列初始化为x i ( 0 ) = l ，( n ) = o ，n = 1 , 2 ，3 0 ，第2 个m 序列 初始化c i 脯= ，3 ：。0 恐l z ) 2 ，其值取决于序列的应用。 加扰序列在每个子帧开始时初始化，而初始化值c “。取值如下 ci：p一。=：b。2j9。1nit 2 1 4 + q 2 r c e l f o r p d s c h ( 3 - 6 ) 一l l n ：2 j 2 9 + 乎洲 f o rp m c h 其中甩r n t 。是随机接入无线网络临时标识值，g 是传输块序号，每次传输最多有2 个传 输块，q o ，1 ) ；如果是单传输块传输，则q 值等于0 。而n 。是每个时隙的符号数目。 加扰流程图如图3 1 3 所示。 2 调制 根据协议给出的第1 个m 序列初始化为 o ) = l ，五( 一) = 0 ，n = 1 , 2 ，3 0 第2 个m 序列初始化值c 。= 刀姗2 1 4 + g 2 3 + b 。2 j 2 9 + 暑 i 根据第2 个m 序列初始化值c 岫，和c 。= 二x ：( 伊2 ： 确定初始化第2 个m 序列屯( n ) ，n = 0 , 1 ，2 ，3 0 0 x l ( n + 3 1 ) = k + 3 ) + 五( n ) ) m o d2 x 2 ( n + 3 1 ) = k ( 刀+ 3 ) + 砭( 一+ 2 ) + 工2 ( n + 1 ) + x z ( n ) ) m o d 2 c ( ，1 ) = c _ ( 九+ n c ) + x 2 【一+ n c ) ) m o d 2 根据初始化第1 个m 序列和初始化第2 个m 序列以及扰码序列公式，得 出扰码序列。 j f ( - ( f ) = ( 6 i 。( f ) + c 们( i ) )