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w c d u a 高速信道译码器研究与实现 摘要 僚三代移动通信是覆盖全球的多媒体移动通信。它可实现 全球漫游，使任何时间，任何地点，任何人之间的交流成为可 能，并支持高速数据传输和宽带多媒体业务，正成为各国研究 开发的热点。w c d m a 是被广泛看好的第三代移动通信无线接 入技术，3 g p p 实际上已取代i t u r 成为w c d m a 系统技术规 - ，7 矽 范制订者本文分析了w c d m a 传输信道编码和复接技术， 围绕3 g p p 规范t s 2 5 2 1 2 对编码复接流程和各模块算法作了详 细的介绍。在此基础上，本文给出w c d m a 传输信道解交织、 解复接模块的设计，分上行和下行分别讨论了解交织、解码率 匹配、解传输信道复用、误码检测等子模块的算法，用流程图、 硬件示意图、伪代码等手段描述了适合f p g a 的具体实现。 w c d m a 系统采用卷积码和t u r b o 码作为信道纠错编码手段。 本文给出单芯片v i t e r b i 和t u r b o 译码器设计方案。6 旷i t e r b i 译码 器采用归一化的路径度量算法、优化的状态度量量化级数设计、 双蝶形v i t e r b i 计算单元、高度并行的状态度量内存等，使其译 码速度明显提高，硬件复杂度却增加不大；而定长回溯算法又 在基本不影响性能的前提下，大大降低了译码器对存储器的需 求量，使高速v i t e r b i 译码器仅占用少量f p g a 片内资源即可实 现。t u r b o 译码基于对b c j r 算法的改进，使状态度量仅和状态 有关，状态度量的计算和存储量较原算法减少了一半。而“滑 动窗”机制使t u r b o 译码器前向状态度量的存储量进一步降低 到可行的程度。而且，滑动窗机制充分发挥了顺序输出交织器 的优势，使译码器可以同交织器完全并行工作，避免了整个交 、n 织表的储存，降低了内存开销最后，本文还对t u r b o 码的一 些最新研究成果在新一代移动通信系统中的应用作了简要的分 析和探讨。 ， f 本文的研究课题来自中国8 6 3 项目“中国第三代移动通信 系统研究与开发”的子项：w c d m a 高速信道译码器( 第一阶 段，编号8 6 3 3 1 7 0 3 0 1 0 7 9 9 ) 和单片化信道译码器( 第二阶 段，编号8 6 3 3 1 7 一0 3 0 1 0 5 2 0 m i i c 3 g 0 5 0 0 ) 。目前，我实验 室已在单片x i l i n xx c v l 0 0 0 e 6 h q 2 4 0 上实现了符合中国第三 代移动通信系统研究开发总体组“w c d m a 系统业务复用规范 v 2 1 ”的信道译码器，在3 2 m h z 系统时钟下，v i t e r b i 译码速率 达到4 0 0 k b p s ，t u r b o 译码速率为1 m b p s 。， 关键词：w c d m of e g a , 信道译码影v i t e r b i 译码器 t u r b o 译码器_ 售道变颤和复接- 、 l l 一一一一譬挚銮塑主：竺鎏耋一一s t u d y a n di m p l e m e n t a t i o n o f w c d m ah i g h s p e e dc h a n n e l d e c o d e r a b s t r a c t t h e3 耐g e n e r a t i o nw i r e l e s ss y s t e m ( 3 g ) i sam u l t i m e d i aw i r e l e s s n e t w o r kc o v e r i n gt h ew h o l eg l o b e n om a t t e rw h e n e v e ra n dw h e r e v e r , p e o p l e c a nc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e r , e n j o y i n gt h em u l t i m e d i a s e r v i c e sb r o u g h tb yw i d e b a n dh i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n w c d m ai s ap r o m i s i n gr a d i oa c c e s st e c h n o l o g yf o r3 g ，a n d3 g p ph a sb e c o m et h e m a k e ro fi t ss p e c i f i c a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h et r a n s p o r tc h a n n e l m u l t i p l e x i n ga n dc o d i n gt e c h n o l o g y i nw c d m a ，a n di n t r o d u c e dt h e a l g o r i t h m ss p e c i f i e db y 3 g p pi n d e t a i l s t h e n ，ap r a c t i c a ld e s i g n o f w c d m a t r a n s p o r t c h a n n e ld e - i n t e r l e a v e ra n d d e - m u l t i p l e x e r i s p r e s e n t e d m a n yp r o g r a mf l o w s ，b l o c kd i a g r a m so f c i r c u i t sa n dp s e u d o 。 s c r i p t s a r eu t i l i z e dt od e s c r i b et h er e a l i z a t i o no ft h ea l g o r i t h m sf o rd e i n t e r l e a v i n g ，d e - r a t e m a t c h i n g ，d e - m u l t i p l e x i n g ，e r r o rd e t e c t i o no nf p g a h a r d w a r ep l a t f o r m c o n v o l u t i o n a lc o d e sa n dt u r b oc o d e sa l et h ee r r o r c o r r e c t i o nc o d i n gs c h e m e si nw c d m a a s i n g l e c h i ph i g h - s p e e dd e s i g n o ft h ed e c o d e r si si n t r o d u c e di nt h ed i s s e r t a t i o n n o r m a l i z e db r a n c h w e i g h t i n g ，o p t i m i z e ds t a t ew e i g h tq u a n t i z a t i o n ，d o u b l eb u t t e r f l yv i t e r b i c o m p u t a t i o ns t r u c t u r e ，a n dh i g h l yp a r a l l e l s t a t ew e i g h tr a m h e l p e dt o i m p r o v e t h e d e c o d i n gs p e e db ym u l t i p l e t i m e sw i t h o u tad r a m a t i c i n c r e m e n to fh a r d w a r ec o m p l e x i t y f i x e dl e n g t ht r a c i n gb a c ka l g o r i t h m i sc r u c i a lt or e d u c em e m o r y r e q u i r e m e n to f t h ed e c o d e rt ot h ec a p a c i t yo f i l l f p g aw i t ha l m o s tt h es a m ep e r f o r m a n c e t h et u r b od e c o d e rb a s e do n t h em o d i f i c a t i o no fb c j r a l g o r i t h m ，w h i c hn e e d so n l y h a l fo ft h es t o r a g e r e s o u r c er e q u i r e db yt h eo r i g i n a lv e r s i o n s l i d i n gw i n d o w ”m e c h a n i s m i st h em o s ti m p o r t a n tm e a s u r et a k e nt or e d u c ef o r w a r ds t a t ew e i g h t s t o r a g et oa f e a s i b l ea m o u n t m o r e o v e r , s l i d i n gw i n d o wm e c h a n i s mt o o k a d v a n t a g eo ft h es e q u e n c i a lo u t p u ti n t e r l e a v e r , e n a b l e dt h ei n t e r l e a v e r s i n d e p e n d e n tp a r a l l e lo p e r a t i o nt ot h ed e c o d e r t h e n ，t h e r e sn on e e dt o s t o r et h ew h o l ei n t e r l e a v e ri n r a m ，w h i c h i sa n o t h e rc o n s i d e r a b l e r e d u c t i o no fr a m r e q u i r e m e n t b e f o r et h ee n d i n go ft h ed i s s e r t a t i o n ， s o m en e wc h a n n e lc o d i n gt e c h n o l o g ya n dt h e i r i m p l e m e n t a t i o ni nt h e d e w g e n e r a t i o n w i r e l e s ss y s t e m sw e r es t u d i e da n dd i s c u s s e da sw e l l t h er e s e a r c hi sp a r to fc h i n e s e h i 曲t e c h n o l o g yp r o g r a m r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n tp r o j e c t ( k n o w n a s 8 6 3 ) “c h i n e s e 3 一g e n e r a t i o n w i r e l e s s s y s t e m 9 9 a tf i r s t p h a s e “w c d m ah i 曲- s p e e d c h a n n e l d e c o d e r ( 8 6 3 - 3 1 7 0 3 - 0 1 0 7 9 9 ) ，t h e ns e c o n d s i n g l e c h i pw c d m a c h a n n e l d e c o d e r ，( 8 6 3 317 - 0 3 - 0 1 0 5 2 0 m i i - c 3 g 0 5 0 0 ) n o w , t h e d e c o d e rh a sb e e nr e a l i z e do nax i l i n xx c v l 0 0 0 e - - 6 - h q 2 4 0 a c c o r d i n gt o t h ec h i n e s e s p e c i f i c a t i o n u n d e ra3 2 m h zs y s t e mc l o c k ，v i t e r b id e c o d e r c a na c h i e v et h e s p e e d a t4 0 0 k b p s ，t u r b od e c o d e r1 m b p s k e y w o r d s ：w c d m a ，f p g a ，c h a n n e ld e c o d e r , v i t e r b id e c o d e r , t u r b o d e c o d e r ，t r a n s p o r tc h a n n e li n t e r l e a v i n ga n dm u l t i p l e x i n g 第一章引言 移动通信的发展已经历了两代。第一代是模拟的语音通信，具有很多不足 之处，如容量有限、制式太多、互不兼容、不能提供数据服务业务等。第二代 是数字语音移动通信，克服了模拟移动通信的弱点，语音质量、保密性能得到 了很大的提高，并可进行自动漫游。但由于第二代数字移动通信系统带宽有限， 限制了数据业务的应用，无法实现移动的多媒体业务。此外，各国第二代数字 移动通信标准不统一，无法进行全球漫游。与前两代移动通信相比，第三代移 动通信的特点在于“覆盖全球的多媒体移动通信”。它可实现全球漫游，使任何 时间，任何地点，任何人之间的交流成为可能。并支持高速数据传输和宽带多 媒体服务。 本章将简要介绍第三代移动通信的特点和发展现状，对w c d m a ( w i d e b a n d c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 的关键技术作总体概述，并说明信道译码器的功 能及其在w c d m a 移动通信系统分层结构中的位置。 1 1 第三代移动通信特点和发展现状 第三代移动通信区别于现有的第一代和第二代移动通信系统，其主要特点 可概括为1 1 】【2 】： ( 1 ) 全球普及和全球无缝漫游的系统。第二代移动通信系统一般为区域或国 家标准，而第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系 统。它将使用共同的频段，全球统一标准。 ( 2 ) 具有支持多媒体业务的能力，特别是支持i n t e r n e t 业务。现有的移动通信 系统主要以提供话音业务为主，一般仅能提供l 0 0 2 0 0 k b p s 的数据业务， g s m 演进到最高阶段的速率能力为3 8 4 k b p s 。而第三代移动通信的业务 能力将比第二代有明显的改进。它应能支持从话音分组数据到多媒体业 务；应能根据需要，提供带宽。1 1 u ( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m t m i e a t i o n u n i o n ) 规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求中，必须满足在以下三 个环境的三种要求。即： 快速移动环境，最高速率达1 4 4 k b p s 室内环境，最高速率达2 m b p s 室外到室内或步行环境，最高速率达3 8 4 k b p s ( 3 ) 便于过渡、演进。由于第三代移动通信引入时，第二代网络已具有相当 规模，所以第三代的网络必须在第二代网络的基础上逐渐演进而成，并 应与固定网兼容。 ( 4 ) 高频谱效率、高服务质量、低成本、高保密性。 9 7 年以来，国内外有关第三代移动通信的研究逐渐成为移动通信领域的热 点。由于移动通信在未来的信息产业中占有举足轻重的作用，发达国家的政府 部门、电信运营及制造商均不遗余力，积极参与有关第三代移动通信标准制定 及其科研开发工作，以期在未来的竞争中占据有利地位【i t1 。 日本是第三代移动通信的最积极的倡导者，这是由于日本第二代移动通信 采取了闭关自守、自成一统的政策，先后推出的j d c ( 后改为p d c ) 蜂窝系统 及p h s 无绳电话系统均未能成为国际市场的主流产品，使日本移动通信厂商在 国际市场的竞争中几乎未能占到任何份额。日本急切希望通过第三代移动通信 产品的推出，改变这种不利局面。因而，日本在第三代移动通信系统的研究中 投入巨资，同时积极与欧洲融合，形成了w c d m a 的共同体。日本最大的移动 通信运营者n t td o c o m o 公司从去年开始进行大规模的w c d m a 现场试验。5 个厂家为其提供试验用系统设备，7 个厂家提供终端。n t td o c o m o 对所有厂 家的设备进行了覆盖、切换等的性能测试和话音及6 4 k b p s 、1 2 8 k b p s 、3 8 4 k b p s 等不同速率的数据和图像业务的测试。目前实验室和现场测试已基本结束。 从2 0 0 1 年三月开始，n t td o c o m o 公司将进行i m t 2 0 0 0 商用实验。现在 所有厂家都在围绕着这一时间表加紧进行开发。从目前局面看，日本的第三代 战略已获得初步成功，其标准已为全球大多数国家认可，成为国际标准；同时 自己国家的产业部门业已走在设备开发生产的前列，占领世界市场指日可待。 以爱立信和诺基亚为代表的欧洲移动通信厂商也是第三代移动通信的积极 参与者，他们第二代移动通信系统g s m 的研究、生产与销售在全球居于领先 地位，获取了极为丰厚的市场回报。他们希望通过第三代移动通信系统的研制 抵御来自北美i s 一9 5c d m a 技术的强劲挑战，并保持其在移动通信方面的领先 优势。因此他们在第三代移动通信系统的体制标准中与日本积极合作，同时也 积极给n t td o c o m o 提供试验设备。 北荚在第三代移动通信系统研究方面一开始处于较为被动的地位。这主要 是由于i s - 9 5c d m a 系统尚处于投资阶段，第三代移动通信系统在短期内应用 可能会影响到i s - 9 5c d m a 系统的市场回报。但由于北美在c d m a 移动通信方 面具有良好的研究基础和实际运营经验，因而他们在较短的时间内便推出了能 与i s 9 5c d m a 系统后向兼容的第三代移动通信系统标准c d m a 2 0 0 0 。他们拟采 取平滑过渡的方针，首先实现能与i s 9 5c d m a 兼容的c d m a 2 0 0 0 1 x 系统，使 系统容量达到原有i s 9 5c d m a 的两倍，并能提供6 4 k b p s 至1 4 4 k b p s 的移动多 媒体和i n t e m e t 业务，然后在此基础上推出多载波系统。目前，c d m a 2 0 0 0 系统 空中接口的信令标准已完全确定。北美有关运营者计划2 0 0 0 年6 月开始 c d m a 2 0 0 0 - l x 的现场试验，预期2 0 0 1 年下半年提供商用。 我国有关第三代移动通信系统的研究始于1 9 9 7 年。9 7 年6 月国家8 6 3 通 信技术主题在安徽黄山发起了首次规模较大的有关宽带移动通信系统技术研讨 会，来自国内外的著名厂商均派代表参加了本次会议。9 7 年7 月中国第三代移 动通信评估协调组( c i i e g ) 成立。9 8 年国家8 6 3 通信技术主题又与邮电部第三代 移动通信评估协调组( c l l e g ) 联合在香山召开了规模更为庞大的第三代移动通信 研讨会。这两次会议在较大程度上推动了国内有关第三代移动通信的研究。9 8 年6 月信息产业部电信技术研究院向i t u 提交了自己的第三代移动通信建议标 准t d s c d m a ，9 月c h e g 完成了对其它国家有关提案的评估( 重点针对欧洲 w c d m a 和北美c d m a 2 0 0 0 ) 报告，并提交i t u 。9 8 年l1 月，国家第三代移动 通信系统研究开发重大项目启动，该项目的主要目标是在2 0 0 0 年1 2 月之前， 通过自主科研开发拥有一批核心专利技术，建立具有第三代移动通信基本特征 的实验系统，为制定我国的第三代移动通信体制标准提出建议。 2 1 2 第三代移动通信标准化进程 按照i t u 的既定时间表，1 9 9 9 年3 月完成第三代移动通信标准i m t 一2 0 0 0 r t t 关键参数的选定，1 9 9 9 年底完成包括上层协议在内的完整的无线接1 2 1 标准 制定工作，2 0 0 0 年底完成核心网全部标准的制定工作。但是，由于各种因素的 限制，i t u r 制定全球统一标准的设想已经落空，第三代移动通信系统的标准 化工作已由地区性的标准化组织一第三代移动通信伙伴计划3 g p p ( 3 “ g e n e r a t i o np r o j e c tp a r t n e r s h i p ) 及3 g p p 2 取而代之，i t u - r 建议的绝大部分将赢 接引用这两大标准化组织的规范。 3 g p p 由a r i b ( t h ea s s o c i a t i o no fr a d i oi n d u s t r i e sa n db u s i n e s s e s ，日本) 、 c w t s ( c h i n aw b l e s s t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r dg r o u p ，中国无线通信标准研究 组) 、e t s i ( t h ee u r o p c a i l r e l e c o m m u n i c a t i o n s s t a n d a r d si n s t i t u t e ，欧洲) 、t 1 ( c o m m i t t e et i ，北美) 、1 v r a ( t e l e c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya s s o c i a t i o n ，韩国) 、 t t c ( t h et e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yc o m m i t t e e ，日本) 等6 个成员组成。该 组织将以欧洲e t s iu t r a 提案和日本a r i bw c d m a 提案为蓝本，制定以g s m 网络为基础的下一代移动通信体制标准w c d m a 。该体制标准采用直接序列扩 频方式及异步小区工作模式( 无需g p s ) ，并具有频分5 d ( z ( f d d ) 及时分双工( t d d ) 两种方式。该组织已完成包括上层协议在内的无线接口标准3 g p pr e l e a s e9 9 的 制定工作。我国提出的空中接口标准t d s c d m a 通过c w t s 与3 g p p 的 w c d m at d d 方式正在进行融合工作。 3 g p p 2 则由a r i b 、c w t s 、t 1 a 、t t c 和t i a ( t h e t e l e c o m m u n i c a t i o n si n d u s t r y a s s o c i a t i o n ，美国) 等5 个成员组成。该组织将完成与第二代移动通信系统标准 i s 9 5 及i s - 4 1 后向兼容的新一代移动通信体制标准c d m a 2 0 0 0 ，其特点是采用多 载波方式完成最高速率为2 m b p s 的高速数据业务。该组织已完成了c d m a 2 0 0 0 第 一阶段空中接口标准制定工作，目前正在着手完整的c d m a 2 0 0 0 标准制定工作。 1 9 9 9 年1 1 月初在芬兰赫尔辛基结束的t g 8 i 最后一次会议上，通过了 “i m - t 2 0 0 0 无线接口技术规范”建议，表明i t u - r 在第三代移动通信系统无线 接口技术规范方面的工作已告一段落，第三代移动通信系统的开发和应用将进 入实质阶段。该规范建议经过i t u r 第八研究组通过后最终成为国际电联建议。 1 3w c d m a 的特点和关键技术概述 w c d m a 是全新的第三代移动通信系统方案，已于1 9 9 8 年1 月被e t s i 确 定为其第三代移动通信系统的无线接入方式，也是被广泛看好的中国第三代移 动通信系统候选方案之一。 与其他系统相比，其优点主要概括为以下几方面2 1 f 4 】： ( 1 ) 比第二代移动通信系统有更好的性能。包括更大的系统容量和更大的覆盖 区域，且可以从第二代系统逐步演进。w c d m a 由于自身的频带较宽， 因而由多径效应引起的信号衰落较小，上下行链路发射时分复用导频信 号，从而实现相干解调，能大幅度提高链路容量。w c d m a 中采用快速 功率控制技术，使发射机的发射功率总是处于最小的水平，从而减少了多 一2 l = ：已蛮t 。- - - - 一 址干扰。另外，在下行链路发送用户专用导频信号而不是公共导频信号， 能使下行链路使用自适应天线成为可能，从而减少了小区的多用户干扰。 这些技术都提高了系统容量，对一般话音服务，系统容量至少提高两倍。 ( 2 ) 提供更加灵活的服务。包括：支持更宽范围的服务，最高可支持2 m b p s 的高速数据业务；支持一条连线上传输多条并行业务；支持高速率的分组 接入。w c d m a 最重要的一个特点是：功率对用户来说是共享资源。在 下行链路上，基站中码分复用的用户分享总的功率，上行链路中，基站有 一个最大干扰容限，这个功率在小区中产生干扰的移动台之间分配。共享 功率使w c d m a 能灵活地处理各个有不同速率的业务。当数据速率变化 时，无须对码字、时隙等重新分配，即无须重新分配物理信道，只要调整 功率分配就可保证业务传输质量不受影响。w c d m a 使用正交变扩频增 益扩频码( o v s f ) ，这种码字保证了下行链路不同用户信道或同一用户不 同业务信道的正交性，对于不同的数据速率，这种正交性仍然存在。这一 措施也保证了w c d m a 适应多种业务的要求。w c d m a 方案中采用了对 不同q o s ( q u a l 时o fs e r v i c e ) 要求的业务进行不同的信道编码的策略。标 准业务仅采用卷积编码，高质量业务在卷积编码的基础上增加r s 编码或 采用t u r b o 码，而对特定业务则在第一层不采用纠错编码而完全由高层来 采取差错控制，这样处理的结果使得各种业务统一为同一种数据。此外， w c d m a 中电路和分组交换业务能在同一信道组合，使一个终端能处理 多项业务。带宽不同的电路和分组交换业务可自由组合，同时向同一个用 户投送。 ( 3 ) 采用更加灵活的系统操作。包括：支持基站间的异步操作，支持自适应天 线阵技术与多用户检测的技术，支持非平衡频带下采用时分双工的模式， 采用单信元频率复用等。 表卜1w c d m a 与c d m a 2 0 0 0 的技术参数对比 t a b l e1 - 1c o m p a r i s o nb e t w e e nw c d m aa n de d m a 2 0 0 0 w c d m ac d m a 2 0 0 0 c h i p 速率( m c h i p s )4 0 9 6 ( 1 0 2 4 x 4 ) x n3 6 8 6 4 x ( 1 2 2 8 8 x 3 ) x n 基站间同步无需g p s 的异步方式需借助g p s 的严格同步方式 下行链路导频码对业务码时分复用的导频码公共连续的导频码 帧长短帧长1 0 m s长帧长2 0 m s 语音编码固定速率编码可变速率编码 功率控制速度1 6 0 0 次秒8 0 0 次秒 d s 与m c单载波宽带d s多载波( m c ) d s 最小带宽 5 m h z3 x 1 5 m h z 可变长正交序列( 区分信道) 可变长w a l s h 序列( 区分信道) 下行链路扩频g o l d 序列 m 序列3 ) 2 1 5 ( 区分小区与用户) f 小区以序列的不同相位区分 i 、q 路以不同序列区分) 可变长正交序列( 区分信道) g o l d 序列2 4 1 可变长正交序列( 区分信道) 上行链路扩频 ( 1 ) 序列2 1 5 ( 区分i 、q 路) ( 不同用户以序列区分， i 、q 路以不同相位区分) ( 2 ) 序列2 4 1 - 1 ( 区分不同用户) 4 c d m a 2 0 0 0 是另一种被广泛看好的第三代移动通信系统无线传输方案。和 w c d m a 相比各有特点，列于表l l 。 w c d m a 关键技术有t 1 ”l 【5 】： l 、初始同步与r a k e 多径分集接收技术 c d m a 通信系统接收机的初始同步包括p n 码同步，符号同步，帧同步和 扰码同步等。w c d m a 系统的初始同步需要通过“三步捕获法”进行，即通过 对基本同步信道的捕获建立p n 码同步和符号同步，通过对辅助同步信道的不 同扩频码的非相干接收，确定扰码组号等，最后通过对可能的扰码进行穷举搜 索，建立扰码同步。 移动通信是在复杂的电波环境下进行的，如何克服电波传播所造成的多径 衰落现象是移动通信的另一基本问题。在c d m a 移动通信系统中，由于信号频 带较宽，因而在时间上可以分辨出比较细微的多径信号。对分辨出的多径信号 分别进行加权调整，使合成之后的信号得以增强，从而可在较大程度上降低多 径衰落信道所造成的负面影响。这种技术称为r a k e 多径分集接收技术。 为实现相干形式的r a k e 接收，w c d m a 系统发送专用的未经调制的导频 伊i l o t ) 信号，以使接收端能在确知已发数据的条件下估计出多径信号的相位，并 在此基础上实现相干方式的最大信噪比合并。 r a k e 多径分集技术的另外一种极为重要的体现形式是宏分集及越区软切换 技术。当移动台处于越区切换状态时，参与越区切换的基站向该移动台发送相 同的信息，移动台把来自不同基站的多径信号进行分集合并，从而改善移动台 处于越区切换时的接收信号质量，并保持越区切换时的数据不丢失，这种技术 称为宏分集和越区软切换。w c d m a 系统支持宏分集和越区软切换功能。 2 、高效信道编译码技术 w c d m a 系统的另外一项核心技术是信道编译码技术。在其提案中采用了 与i s 9 5c d m a 系统相类似的卷积编码技术和交织技术，并将t u r b o 编码技术 作为进一步提高性能的主要手段。t u r b o 编码器采用两个并行相连的系统递归 卷积编码器，并辅之以一个交织器。两个卷积编码器的输出经并串转换以及删 截( p u n c h = ) 操作后输出。相应地，t u r b o 解码器由首尾相接、中间由交织器和 解交织器隔离的两个以迭代方式工作的软判输出卷积解码器构成。虽然目前尚 未得到严格的t u r b o 编码理论性能分析结果，但从计算机仿真结果看，在交织 器长度大于l o o o 、软判输出卷积解码采用标准的最大后验概率( m a p ) 算法的条 件下，其性能比约束长度为9 的卷积码提高l 至2 5 d b 。目前t u r b o 码用于第三 代移动通信系统的主要困难体现在以下几个方面：由于交织长度的限制，无 法用于速率较低、时延要求较高的数据( 包括语音) 传输；基于m a p 的软 输出解码算法所需计算量和存储量较大，而基于软输出v i t e r b i 的算法所需迭代 次数往往难以保证；t u r b o 码在衰落信道下的性能还有待于进一步研究。 3 、智能天线技术 从本质上来说，智能天线技术是雷达系统自适应天线阵在通信系统中的新 应用。由于其体积及计算复杂性的限制，目前仅适应于在基站系统中的应用。 智能天线包括两个重要组成部分，一是对来自移动台发射的多径电波方向进行 到达角( d o a ) 估计，并进行空间滤波，抑制其它移动台的干扰。= 是对基站发 送信号进行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回 移动台，从而降低发射功率，减少对其它移动台的干扰。智能天线技术用于t d d 方式的c d m a 系统是比较合适的，能够起到在较大程度上抑制多用户干扰，从 而提高系统容量的作用。其困难在于由于存在多径效应，每个天线均需一个r a k e 接收机，从而使基带处理单元复杂度明显提高。 4 、多用户检测技术 在传统的c d m a 接收机中，各个用户的接收是相互独立进行的。在多径衰 落环境下，由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交，因而造成多个 用户之间的相互干扰，并限制系统容量的提高。解决此问题的一个有效方法是 使用多用户检测技术，通过测量各个用户扩频码之间的非正交性，用矩阵求逆 方法或迭代方法消除多用户之间的相互干扰。 从理论上讲，使用多用户检测技术能够在极大程度上改善系统容量。但一 个较为困难的问题是对于基站接收端的等效干扰用户等于正在通话的移动用户 数乘以基站端可观测到的多径数。这意味着在实际系统中等效干扰用户数将多 达数百个，这样即使采用与干扰用户数成线性关系的多用户抵销算法仍使得其 硬件实现显得过于复杂。如何把多用户干扰抵销算法的复杂度降低到可接受的 程度是多用户检测技术能否实用的关键。 5 、功率控制技术 在c d m a 系统中，由于用户共用相同的频带，且各用户的扩频码之间存在 着非理想的相关特性，用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，从而使 得功率控制技术成为c d m a 系统中的最为重要的核心技术之一。 常见的c d m a 功率控制技术可分为开环功率控制、闭环功率控制和外环功一 率控制三种类型。开环功率控制的基本原理是根据用户接收功率与发射功率之 积为常数的原则，先行测量接收功率的大小，并由此确定发射功率的大小。开 环功率控制用于确定用户的初始发射功率，或用户接收功率发生突变时的发射 功率调节。开环功率控制未考虑到上、下行信道电波功率的不对称性，因而其 精确性难以得到保证。闭环功率控制可以较好地解决此问题，通过对接收功率 的测量值及与信干比门限值的对比，确定功率控制比特信息，然后通过信道把 功率控制比特信息传送到发射端，并据此调节发射功率的大小。外环功率控制 技术则是通过对接收误帧率的计算，确定闭环功率控制所需的信干比门限。外 环功率控制通常需要采用变步长方法，以加快上述信干比门限的调节速度。在 w c d m a 系统中，上行信道采用了开环、闭环和外环功率控制技术，下行信道 则采用了闭环和外环功率技术，功率控制速度为每秒1 6 0 0 次。 1 4w ( 3 d m a 物理层功能和信道译码器简介 w c d m a 属物理层无线接入的方式，它在上层协议的支持下实现高速无误 的信息传输。链路层( l 2 ) 和网络层( l 3 ) 同w c d m a 物理层( l 1 ) 有着密切 的逻辑关系，如图1 1 所示。 物理层和链路层中的媒体接入控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层、网络 层中的无线资源控制( r a d i or e s o u r c ec o n t r 0 1 ) 子层相关。图1 1 中，层间的圈 表示服务访问点( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) 。物理层为媒体接入控制层提供多种传输 6 信道，每个信道都规定了信息在无线接口间传输的方式。而媒体接入控制层又 为链路层中的无线连接控制f r a d i ol i n kc o n t r 0 1 ) 子层提供各种逻辑信道，每个 逻辑信道都规定了所传输的信息类型。物理信道在物理层中定义，有两种不同 的双工方式：频分双工和时分双工。在频分双工情况下，物理信道由码字、频 率和上行相对相位确定。时分双工情况下物理信道还应对所使用的时间段( t i m e s l o t ) 作出规定。物理层由无线资源控制层负责管理。 l a e f 2 l a y e r l l o g i e a lc h a r n e l s t r a n s p o r tc h a n n e l s 图卜1 无线接口网络协议示意图”】 f i g u r e1 - 1d i a g r a mo f r a d i oa c c e s sn e t w o r kp r o t o c o l 物理层为上层提供数据传输功能，有以下几方面： 分集和软切换 错误检测，并向上层报告一 传输信道的前向纠错编码 传输信道复用和复合编码传输信道的解复用 编码后传输信道向物理信道映射的码率匹配 功率分配和物理信道的合成 复合传输信道向物理信道的映射一 物理信道功率度量和组合 物理信道调制解调、扩频和解扩 频率和时间同步( c h i p ，b i t ，s l o t ，f l a m e ) 向系统高层指示信道物理特性，如信噪比，干扰功率等 远近功率控制 射频处理 以上，打钩的功能项需要由信道译码器实现。信道译码器主要包括传输信 道处理和纠错译码器两个部分。传输信道处理单元负责将信息流解交织，解复 用，解码率匹配等，输出纯纠错编码数据，由纠错译码器以帧为单位译码处理 并把校验后的译码结果打包传给上层，报告数据的检错结果。如图1 - 2 所示。 t r l n s p o r t c o d e dd a t a e r r o r p h y s i c a lc h a n n e l 。 c h a n u e l f r a m e 7 c o r r e e t i o u p a c k e d 嘶。 b i ts t r e a m d e c o d e r d e c o d e r f o r h i g h e rl a y 6 r d e - n t e d e a v n g , ( e r r o rc o r r e c t i o n ， d e - m u l t i p l e x i n g , c o d e dd a t a d a t ap a c k i n g , d e r a t e - m a t c h i n g ) f r a m e 一 s t a t u sr e p o r t i n g ) 图1 - 2w c o l d h 信道译码嚣功能示意图 f i g u r e1 2d i a g r a mo f t h ef u n c t i o no f w c d m ac h a n n e ld e c o d e r 7 营q目莹8o、_oe口oj 1 5 本文主要内容和章节安排 本文将详细分析w c d m a3 g p p 信道编码和复用规范，通过对各种算法的 研究和优化，给出适合f p g a 实现的设计方案。随着f p g a 单片容量的迅速发 展，把整个系统集成于单片f p g a 已不仅仅是美好的愿望，而逐渐发展为“系 统级芯片s o c ( s y s t e mo nc h i p ) ”的设计潮流p 1 。用单片f p g a 实现完整的 w c , d m a 信道译码功能正是本文努力的方向。 本文通过系统框图、算法示意图、硬件结构图、算法伪指令描述、程序流 程图等方式，给出实现w c d m a 的具体方法。对于一些工程参数的选择，本文 给出大量性能仿真曲线，通过比较说明，推荐优选的参数配置方案。 第二章主要介绍w c d m a 系统信道编码和复用技术规范【8 】，说明w c d m a 系统上、下行信道编码和复用处理流程和各环节的算法。这也是以后几章展开 讨论的基础。第三章介绍w c d m a 系统解交织、解复接算法的优化和实现。该 章算法涉及除t u r b o 和v i t e r b i 译码器以外的所有模块，故先介绍译码器总框架， 然后分上、下行分别讨论解交织和解复接的算法和实现。第四章给出商速v i t e r b i 译码器的设计方案。第五章详细说明了t u r b o 译码器的实现方法。虽然第四、 第五章内容从全局来看牵涉较小，但却是信道译码系统中复杂度最高的两个模 块，其设计合理性和性能直接关系到整个译码器的可行性。第六章对本文 w c d m a 信道译码器设计进行性能分析，总结了v i t e r b i 和t u r b o 译码器对片内 存储资源的需求，还对近年提出的一些信道编解码新技术在w c d m a 系统中的 应用作了分析和探讨。 参考文献 尤肖虎、杨峰义，“第三代移动通信系统发展现状”，中国通信，1 9 9 9 年1 2 月，h t t p ：w w w t e l e e o m n c o m c n g b c h i n a _ _ c o r n m f o c u s 4 _ 9 9 1 2 h u n 【2 】郭经红，“w c d m a 数字移动通信系统及其与c d m a 2 , 0 0 0 的比较”，“安联 在线