（通信与信息系统专业论文）mimogmc系统中turbo译码器的设计及fpga实现.pdf

摘要 摘要 t u r b o 码是一类并行级联的系统卷积码，它足在综合级联码、最大后验概率( m a p ) 译码、软输 入软输出及迭代译码等理论基础上的一种创新。t u r b o 码的基本原理是通过对编码器结构的巧妙设 计，多个子码通过交织器隔离进行并行级联编码输出，增大了码距。译码器则以类似内燃机引擎废 气反复利用的机理进行迭代译码以反复利用有效信息流，从而获得卓越的纠错能力。计算机仿真表 明，t u r b o 码不但在加性高斯噪声信道下性能优越，而且具有很强的抗衰落、抗干扰能力，当交织 长度足够长时，其纠错性能接近香农极限。 f p g a ( f i e l dp r o g r a i l l m a b l eg a t ea r r a y ) ，即现场可编程门阵列，是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编 程器件的基础上进一步发展的产物。f p g a 技术具有大规模、高集成度、高可靠性、设计周期短、 投资小、灵活性强等优点，逐步成为复杂数字硬件电路设计的理想选择。 本论文以东南大学移动通信实验室b 3 g 课题组提出的“支持多天线的广义多载波无线传输技术” f m l m o g m c l 为背景，分析了t u r b o 译码算法，并针对m i m 0 一g m c 系统的迭代接收机中所采用的 外信息保留和联合检测译码迭代的特点，完成了采用滑动窗l o g - m a p 算法的软输入、软输出的，r u r b o 译码器的设计。整个译码器模块的设计采用v e r i l o g 语言描述，并在v i n e x l ip r o 系列f p g a 芯片上 实现。 关键词：t u r b o 码，l o g m a p ，滑动窗，外信息保留，f p g a a b s t r a c t a b s t r a c t t u r b oc o d ei san e wf a m i l yo fc o n v 0 1 u t i o n a lc o d e s i ti sb a s e do nc o n c a t e n a t e dc o d e ，i v 工a pa l g o r i t h m ， s i s o ( s o f t i n s o f t o u t )a l g o r i t h m a 1 1 dj t e r a t i v e d e c o d i n g t h r b o e n c o d e ri sb u j l tf r o map a r a u e l c o n c a t e na t j o no f 似or e c u r s i v es y s t e ma l i cc o d e s ，1 i r l l ( e dt o g e i h e rb yn o n u n j f 0 h ni m e r l e a v i n gi t sd e c o d e ri s c h a m c t e r j z e db ya ni t e r a t i v ep r o c e s si nw h i c he a c hc o m p o n e n td e c o d e r t a l 【e sa d v a n t a g e so f t h ew o r ko f t h e o t h e ra tt h ep r e v i o u ss t e p i n v e s t i g a t e db ys i m u l a t i o n ，t h ee r m rc o c t j n gp e r f o n n a n c eo ft u b oc o d e sw i t h s u f n c i e mi a 曙ei n t e r l e a v i n gs i z e s 印p e a r st ob ec l o s et ot h et h e o r e t i c a l j i m i ts h o w nb ys h a n n o n f p g a ( f i e l dp r o g r 砌m a b l eg a t ea 丌a 儿d e v e l o p e df r o mp r o g r 蛐m a b l e1 0 9 i cd e v i c e ss u c ha s 队i 一， g a l ，e p l d ，e t cw i t hi t sa d v a n t a g e sl i k el a r g es c a l e ，h i g hi n t 。g r a t i o n ，h i g hd 。p e n d a b i l i t y ，s h o nd e s i g n p e r i o d ，s m a l li n v e s t m e m ，h i g hn e x i b y ，t h ef p g at e c l l l l o l o g yh a sb e c o m ea nj d e a lc h o i c eo fc o m p i e xi c d e s i g n u n d e rt h eb a c ko f 廿1 em i m o - g m cw i r e l e s st r a n s m i s s i o n 把c h n 0 1 0 9 yp r o p o s e db yb 3 gg r o “pi n n “o n a lc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hl a b o r a t o r y ( n c r l ) o fs o u m e a s tu n i v e r s i t y ，t h i sd i s s e r t “o na n a l y z e s t h ed e c o d i n ga l g o r i t h i n so ft u r b oc o d ea c c o r d j n gt 0t h ee x t e m a i i n f o m a t j o nr e s e e da p p r o a c ha n dt h e i o i n ti t e 】a t i o no fd e t e c t j o na n dd e c o d i n gu s e db yt h ei t e r a t j v er e c e i v e ro ft h em i m o g m cs y s t e m ，t h e d e s i g no ft h es i s o ( s o f t - i n s o r o u t ) t u r b od e c o d e ru s i n gs w _ l o g m a pa l g o r i 血mi sc o m p l e t e di nt h i s d i s s e n a t i o n t h cw h o l ed e s i g ni sn n i s h e dj nv e r i l o g d l ，a n d6 n a l l yi m p l e m e n t e do nav i r t e xi ip r o d e v j c e k e y w o r d s ：t h r b oc o d e ，l o g m a 只s l i d i n g w i n d o w ，e x t e r n a li n f o r m a t i o nr e s e r v a t i o n ，f p g a 1 1 东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南人学或其它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。 研究生签名：立壹堕日期： ) d o s 。；5 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：豸雨魄师签名：日期：堕弓葛 一勰 第一章绪论 第一章绪论 随着人类社会的发展和进步，信息的获取、传输和消费已经成为人类生活中举足轻重的角色。 移动通信作为一种快速、便捷、可靠的通信方式，能解决人们在活动中与固定终端或其他移动终端 进行通信联系的要求，提高了工作效率，节约了人力、物力和时间，带来了很大的社会效益和经济 效益，已经成为众多通信领域中得以快速发展的分支之一。人类“任何时间( w h e n e v e r ) 、任何地点 ( w h e r e v e r ) ，都能与任何人( w h o e v e r ) 交流信息”的个人通信愿望促使着通信技术得以不断向前发 展。随着无线通信技术的飞速发展，人们对无线网络性能和数据速率的要求也越来越高。下一代移 动无线通信系统的主要目标是提高链路吞吐量和网络容量，建立一个无处不在的无线通信系统以及 提供一个无缝连接的高质量无线服务。研究中，一个最不容忽视的问题就是如何利用有限的频谱资 源来实现高速、可靠的数据传输。 1 1 论文背景 1 8 9 7 年当m g 马可尼完成了固定站与一艘拖船之间进行的无线通信试验后，标志着移动通信正 式产生了。经历了一个多世纪，移动通信由最初的第一代模拟移动通信系统、第二代数字移动通 信系统发展到了目前即将商用的第三代宽带数字移动通信系统u l ，正向着大系统容量、高服务质量、 多业务的方向发展。未来的移动通信系统后三代移动通信系统( 亦称第四代移动通信系统) 的 研究工作也已展开”j 。 第一代移动通信系统基于模拟通信技术，提供的服务仅为语音服务。它开始于二十世纪七十年 代本到八十年代拐，主要代表为：北美先进移动电话业务( a m p s ) 、欧洲的全接入系统( t a c s ) 、 北欧的北欧移动电话( n m t ) 及日本的日本电话和电报( n t t ) 等等。 由于模拟系统的容量小，频谱利用率低，保密性能差以及不同系统不能兼容等不足，促使人们 研制出以欧洲的全球移动系统( g s m ) 、美国通信工商协会颁布的1 s 一9 5 ( u s c d m a ) 及日本个人数 字蜂窝( p d c ) 等系统为代表的第二代数字移动通信系统。第二代数字移动通信系统能提供数字话 音通信，提供了更高的频谱利用率、更好的数据业务及更先进的漫游能力，改善了第一代系统存在 的不足。 但是，第二代数字移动通信系统在很多方面仍然没有达到人们的要求，比如没有统一的全球标 准、传输速率低等等，这些需求是高速率移动通信系统发展的动力。在此情况下，具有9 6 1 5 0 k b p s 传输能力的通用分组无线电业务( g p r s ：g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v j c e s ) 系统和3 8 4 k b p s 传输能力的 增强数据速率技术( e d g e ：e i l 1 a n c e dd a t ar a l ef o rg s me v a l u a t i o n ) 开始出现，并成为向第三代移动 通信系统过渡的中间技术。 随着社会发展和技术进步，国际间的交流合作日益频繁，人们希望移动通信系统能和固定网一 样提供将话音、图像、数据等综合在一起的交互式多媒体业务，这是目前正在运营的第二代系统所 不能满足的。因此，第三代移动通信系统研发工作正在积极展开。在提交给i t u ( i n t e m a t i o n a l t c l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 的关于第三代数字移动通信系统( 3 g ，i t u 称为i m t _ 2 0 0 0 ，欧洲称为u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) ) 的各种方案中，欧洲提出的基于g s m 的w c d m a ， 北美提出的基于i s 9 5 的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 成为主流体制，采用码分多址的空 中接口标准己基本达成共识。3 g 以全世界范围的个人通信和多媒体通信为目标，是一个支持多速率、 东南大学硕士学位论文 多业务、宽频带的系统，能够满足移动性、高比特率及可变业务等需求。 然而，第三代移动通信系统距离人类“不论何时，不论何地都能与任何人交流任何信息”的个 人通信愿望仍有较大距离。因此，近年来一些学者又提出了未来移动通信系统的新构想后三代 ( b 3 g ) 或称第四代( 4 g ) 移动通信系统的新概念。为适应未来发展的需要，后三代移动通信系统 必须能够支持全i p 高速分组数据传输、高的终端移动性和高的传输质量，提供高的频谱利用率和功 率效率，有效地支持在用户数据速率、用户容量、服务质量和移动速度等方面大动态范围的变化”，5 l 。 而为满足这些技术需求，后三代移动通信系统在网络结构、空中接口、传输体制、编码与调制、检 测与估计等各个方面必将具有全新的面貌，具体地：在网络结构方面，将采用全t p 、分布式、自组 织和多层的无线广带个人通信新体制和新模式；在空中接口方面，将采用分布式的接入方式，多天 线技术具有至关重要的作用；在传输调制方面，多载波并行传输是必须的；在编码与调制方面，t u r b o 码、l d p c 码、高阶调制、以及自适应编码调制等将得到发展和应用；在检测与估计方面，迭代式 检测与估计是获得最优性能的有效方法。 在我国，第四代移动通信已被正式列入了国家“十五8 6 3 ”研究计划，并已于近期启动了名为 f u t u r e ( f u t u r et e c h n o l o g i e sf o r u n i v e r s a lr a d i o e n v j r o n m e n t ) 的未来移动通信研究计划。根据国家 8 6 3f u t u r e 计划拟订的关于新一一代蜂窝移动通信系统的研究目标，东南大学移动通信实验室b 3 g 课题组提出了支持多天线的广义多载波( m i m o g m c ) 无线传输技术fj 。 在此背景下，本论文针对m i m o g m c 无线传输系统的特点，研究了该系统信道编译码问题的 解决方案，采用了t u r b o 码作为信道编码方法，并完成了t u b o 泽码器的设计。该译码器的设计是 m i m o g m c 的单个子载波验证系统的一部分，以性能仿真和f p g a 硬件设计为基础，目的是为了 验证m i m o g m c 无线传输方案能否达到预定的主要目标，并为后期研究开发提供相应的平台和必 要的依据。 1 2 多天线技术简介 未来无线通信系统要求不仅要求更高的数据传输速率，而且要求系统具有更高的频谱利用率。 近来，多天线发送多天线接收( m i m o ) 技术被证明可以成倍的提高信道容量”，1 而成为无线通信领 域研究的热点。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是解决 上述问题行之有效的办法，是后三代移动通信系统必须采用的关键技术。 m j m o ( m u l t i p l e i o p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技术”“1 指的是利用多发射、多接收天线进行无线传输的 技术。对于无线信道而言，由于地形、天气等因素造成电磁波多路径传播，产生多径衰落，引起码 间干扰，会大大降低系统的性能，这是无线信道相对于有线信道一个先天的缺陷，然而对于加m o 系统而言，多径可以作为一个有利因素加以利用，m l m o 系统在发射端和接收端均采用多天线f 或阵 列天线) 和多通道，m l m o 的多入多出是针对多径无线信道来说的。此时的信道容量随着天线数量的 增大而线性增大。也就是说可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发 送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。 当各个天线间相互距离足够远，各个发射天线到各个接受天线间的信号传输可视为互相独立时， 所采用的多天线可称为分立式多天线，比如应用于空问分集的多天线就属于这种情况。若各个天线 问距离很近，各个发射天线到各个接受天线间的信号传输是相关的，系统利用多天线台成波束的方 向性改善系统性能，则所采用的多天线属于天线阵列范畴，可称为集中式多天线，如智能天线中的 自适应天线阵、波束切换天线阵等。本文讨论的m l m o 技术特指基于分立式多天线的m 】m o 技术。 移动通信中分立式多天线的用途主要是：空间分集、数据传输、干扰抵消等。3 g p p 标准就已经采用 了空时发射分集方案，而3 g p p 2 标准采用了分层空时结构( l a y e r e ds p a c e t i m ea r c h i t e c t u r e ) 来实 2 第一章绪论 现高数据速率传输，同时也采用空时发射分集来提高传输质量。智能天线技术在3 g p p 标准的t d d 模式中得到应用。 空间分集是用来克服无线传输中的信道衰落的。它的原理是利用多天线实现空间多个重复信息 的信号的独立传输，使多路接受信号同时处于衰落的概率相对于单路信号的概率大大降低，进而克 服信道衰落，达到提高传输质量的目的。空间分集又可分为发射分集和接收分集。 发射分集是利用多个发射天线实现空问分集，最初由w i 恤e b e n 于1 9 9 1 年提出【”】，可分为三类 j ：接收端反馈信息、发射端前馈信息、全盲的方法。发射分集作为抗衰落的重要方法，已经成为 第三代移动通信系统的关键技术之一，也是未来移动通信的备选方案之一。研究各种发射分集方式 适用于什么移动通信系统，在什么无线信道条件f ，能使系统达到什么样的性能，对于实际系统的 研发具有重要意义。 接收分集是移动通信中的传统技术，是指利用多个接收天线实现空间分集。可分为选择分集、 反馈分集、最大比台并分集、等增益合并分集、切换分集等。当移动终端体积和功耗的限制而不适 合接收分集时，常采用发射分集来提高系统性能。 1 3 多载波技术简介 即使是在多天线环境下，为有效可靠地支持数据速率为数十兆b p s 甚至数百兆b p s 的全i p 高速 分组数据传输，后三代移动通信系统仍然需要很高的带宽，必须采用多载波并行传输技术。 传统的通信系统采用单载波方案。单载波系统在数据传输速率不太高的情况下，多径效应对信 号符号之间造成的干扰不是特别严重，可以通过使用合适的均衡算法使得系统能够正常工作。但是 对于宽带业务来说，由于数据传输的速率较高，时延扩展造成数据符号之间的相互交叠，从而产生 了符号之间的串扰，这就需要引入复杂的均衡算法，还要考虑算法的可实现性和收敛速度。而且， 当信号带宽超过或者接近信道的相干带宽时，信道的时间弥散性将会造成频率选择性衰落，使得同 一个信号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性。 为了克服单载波方案的缺点，产生了多载波的通信方案，即把数据流分解为若干个子比特流， 使得每个子数据流具有低得多的传输比特率，并且利用这些数据去调制若干个载波。这时，数据传 输的速率相对较低，码元周期较长，只要时延扩展与码元周期相比小于一定比值就不会造成码间串 扰。和单载波方案相比，多载波方案的主要优点是具有抗无线信道时间弥散的特性。无线信道由于 存在多径效应而对传输的数字信号产生利延扩展，造成接收信号中前后码元交叠，形成信元问干扰 导致判决错误。影响传输质量，特别是在码元速率较高的情况下更是如此。另一方面，码元速率较 高时，信号带宽较宽，当信号带宽接近和大于信道相干带宽( 最大多径时延的倒数) 时，信道的时 间弥散将对接收信号造成频率选择性衰落。所以时间弥散是使无线信道传输速率受限的主要原因之 一。多载波调制使子载波中数据信号码元周期增眭，只要时延扩展与码元周期相比小于一定的值， 就不会产生码问串扰，提高传输质量。 另外，多载波系统对频率选择性衰落的抵抗力很强，这是因为频率选择性衰落在某一时刻只会 影响一定数量的子载波，在系统设计时可以通过交织和前向纠错编码等方法成功地修补在这些子载 波上较差的信号。 传统的多载波即频分复用方案( f d m a ) 中将频带分为若干个不相耍叠的子频带来传输并行的数 据流，在接收端用一组滤波器来分离各个予信道。这种方法的优点是简单、直接。但是频谱的利用 率低子信道之间要留有保护频带，而且在频分路数较大时多个滤波器的实现使系统复杂化。 o f d m ( 正交频分复用) 技术是种新的多载波调制技术。其主要思想是将信道分成若干正交子信 道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。o f d m 披术由 、 东南大学硕士学位论文 于其很强的抗多径能力、简单易行的d f t 实现及易于采用m i m o 技术，得到广泛的重视【6 j 。但是 o f d m 具有峰均比高( p a p r ) 和对频偏敏感等缺点。 如何保持o f d m 的优点，同时又避免其缺点，构造新的多载波传输投术方案是解决后三代系 统传输体制问题的另一重要途径，是解决b 3 g 系统传输体制问题的另一重要途径。基于此，东南大 学移动通信实验室b 3 g 课题组提出了广义多载波( g m c ) 无线传输技术，研究工作表明，所提出的多 载波技术方案具有潜在的技术优势“。 1 。4 翮r b o 编码技术简介 高性能的通信系统离不开高性能的编码技术。1 9 9 3 年一种全新的十分强大的信道编码方案t u 小d 码”m 由c i a u d eb e r r o u 提出。它是在综台过去几十年来级联码、乘积码、最大后验概率译码与迭代译 码等理论基础上的一种创新。t u r b o 码的基本原理是通过编码器的巧妙构造，即多个子码通过交织器 进行并行或串行级联( p c c s c c ) ，然后以类似内燃机引擎废气反复利用的机理进行迭代译码，从而 获得卓越的纠错性能，t u r b o 码也因此得名。计算机仿真表明，t u r b o 码不但在抵御加性高斯噪声方 面性能优越，而且具有很强的抗衰落、抗干扰能力，其纠错性能接近香农极限，这使得t u f b o 码在 信道条件较差的移动通信系统中有很大的应用潜力。 t u r b o 理论的出现是信道编码史上的一个里程碑，它可以相当接近信道容量极限，在高速率数据 传递中有着传统信道编码无可比拟的优势。而且t u r b o 码有很强的抗衰落和抗多径效应能力，因此 它用于无线通信系统可以很大程度地提高系统的性能。目前，t u 而。码在实际应用方面的研究已经有 很多，其中第三代移动通信系统i m t 2 0 0 0 已经将t u f b o 码作为其传输高速数据的信道编码标准之一； 在国际海事卫星组织的i “a r s a t _ p h o n em 4 系统中，也是以t u r b o 码为核心技术来实现压缩频带 的高速数据传输的；此外，由于t u 小d 码的译码采用了迭代译码的思想，因此可以把它推广到c d m a 多用户检测中，实现基于t u r b o 码译码原理的c d m a 多用户检测接收机。但t u r b o 码也存在着一些 叵待解决的问题，例如译码算法的改进、复杂性的降低、译码延时的减小等，这些问题都限制了它 的应用。 1 5 论文的主要内容及安排 本文主要研究了m i m o - g m c 系统中t b r b o 译码器的没训及f p g a 实现。硷文的结构安排如下： 第二章介绍了m 】m o g m c 系统的理论基础，简单介绍了采用外信息保留的联合检测译码迭代 方法的迭代接收机的原理。 第三章首先介绍了香农限的概念，然后着重介绍了t u r b o 码的基本原理，包括t u r b o 编码器和 译码器结构，以及子译码器的几种软输入软输出译码算法。 第四章针对t u r b o ( 7 ，5 ) 码，详细阐述了滑动窗i 。o g m a p 译码算法，并对参数的选择和数据的量 化和定标进行了仿真研究。 第五章首先简单介绍了f p g a 技术和v e r i l o g 语言，然后详细介绍了m i m o g m c 系统t u t b o 译 码器的完整的设计及其在f p g a 上的实现。 第二章m i m o g m c 系统介绍 第二章m i m o g m c 系统介绍 2 1m i m o g m c 无线传输技术方案简介1 4 1 m i m o g m c 无线传输技术方案可描述为：( a ) 系统可在基本模式和扩展模式下工作。在基本模 式下，可把总带宽为民的信道分解成一组并行的3 d b 带宽为1 ，2 8m h z 的子信道，通过多载波滤波 器组进行多载波合路和分路，多载波滤波器组可通过d f t 快速实现：在扩展模式下，可把相邻的基 本子载波合成为带宽为38 4m h z 扩展子载波，可根据未来不同国家的频谱分配情况，灵活地分配不 同的扩展子载波，并可实现与3 g 系统的共存与后向兼容。( b ) 在每个子载波，采用双循环白适应时 隙结构、高效编码与调制、空时分集与空分复用、迭代式空时联合检测译码等技术，支持高效的分 组数据传输，满足b 3 g 系统对传输速率、系统容量、频谱效率以及功率效率等方面的要求。采 用f d d 或t d d 双工方式，适用于广域覆盖和热点覆盖蜂窝通信环境。( d ) 采用f d m a 、t d m a 和 c d m a 混合多址方式共享无线资源，其中c d m a 为辅选，每个移动用户可动态地占用一个或多个 基本子载波或扩展子载波，或占用一个子载波的一个或多个时隙、码道等，从而达到大动态范围传 输的要求。 m l m o g m c 无线传输链路具有如图21 所示的模块构成。在发送端，不同用户或同一用户的m 个并行比特流，分别经过子载波发送处理，得到子载波多天线数字基带发送信号，对应于每个发送 天线的子载波发送信号，经过多载波合成滤波器组进行多载波合成，生成多载波数字基带发送信号 再经过数模转换和载波调制，分别产生各发射天线上多载波发送射频信号。在接收端，各接收天线 接收的多载波信号经过载波解调和模数转换，产生多载波数字基带接收信号，经过多载波滤波器组 进行多载波分解，并进行定时，频率同步，生成同步后各子载波多天线数字基带接收信号，各子载波 的多天线接收信号再经过相应子载波接收处理，得到肼个并行的接收信息比特流。 鬻卜 数 模 静 多 转 载换 波与 合载 成波 解 制 厅甄司 发送m 1 子载波 一 多 l 壁坚! 广载 载 波 波 解 分 谴一 调 析 与 与 模 时 数 转 频 换 同 步 一毳慧卜- 图2 im 1 m o o m c 无线传输链路构成 东南大学硕士学位论文 图2 2 单个子载波数字基带系统 单个子载波数字基带系统如图2 2 所示。在发送端，输入信息比特流经过信道编码和交织，得 到编码的比特流，然后经过符号映射和空时发送处理，并插入导频，生成子载波多天线数字基带发 送信号，这里空时发送处理可以采用空时编码和空分复用等技术。在接收端，首先利用接收导频信 号进行信道参数的估计，然后进行迭代检测译码，得到接收的信息比特流。在迭代检测译码中，检 测器为软输入软输出检测器，译码器为软输入软输出译码器，检测器与译码器之间交互软信息，检 测与译码过程多次迭代，以显著提高接收性能。 2 2m i m o g m c 系统迭代接收机的介绍 彤r 一一j 佛 一一 卜 i i i 肝i ：台并l i i ii 墨卜f 砩竹肆 r 译七i 1 厶高矗。 一1 i ! 一 l 一译码器2 一 t l 一卜 【- 1 篓降倒一厶i p j 差罩建 li i s l s o 检测牿s i s o 译码器 图23m i m o g m c 系统迭代接收机框图 m i m o g m c 系统的空时迭代接收机结构“”如舀2 3 所示，为了简化系统，在这里中对信道估计 方法不作介绍，故在图中省略了信道估计部分。接收机分为软输入软输出( s i s o ) 检测器和s i s 0 译码器两个主要的部分，下面我们将分别予以介绍。 由于比特交织编码调制的m i m 0 系统的最优的检测译码的复杂度跟比特交织的长度呈指数增长， 因此无法对其进行最优检测。在这里，检测器采用了一种基于匹配滤波( m f ) 的迭代软干扰抵消检 测算法，对接收信号进行先合并后抵消，有效地降低了系统的复杂度该检测方法不仅适用于平坦 衰落的m i m o 信道，而且适用于频率选择性衰落m i m o 信道。在频率选择性衰落的m i m o 信道中， 检测器不仅需要去除同天线符号间干扰( i s i ) ，还要去除天线问的符号干扰( c a l ) 。在这里，我们 采用了迭代软干扰抵消的检测器。初次检测时，由于不存在译码器反馈信息，检测器通过多级串行 干扰抵消检测，得到编码比特的外信息三。，将其解交织后送入译码器。在后续检测时，由于译码 器反馈的信息通常较为准确，为了简化复杂度，因此我们进行一级并行软干扰抵消。 6 第二章m i m o g m c 系统介绍 t u r b o 译码器使用了b c j r 的迭代译码算法，经过t u r b o 译码的多次内迭代以后，得到编码比特 在译码器处的后验信息o ，将o ，交织后送入检测器，给下一次干扰抵消检测使用，但是跟文献 1 6 ，1 7 ，1 8 方法不同的是，我们在这里不使用标准的t u r b o 译码器，而是用前一次迭代检测译码最 后一次内迭代译码器二的外信息作为当前迭代检测译码译码器一的先验信息，我们称这种方法为“外 信息保留”方法。这种方法减少了每次迭代检测译码器所要进行的内迭代次数。 下面我们对接收机的几个关键部分给予详细的介绍”。 2 2 1 迭代软干扰抵消检测器 软输入软输出检测器需要根据接收信号( 七) 计算发送信号矢量s ( 七) 中的每个比特 a ( f ) ，= o 2 。一l 的后验似然比上( ( 驯! ( ) ) 。 叫糍 曲f 笔淼滞篙然r = 1 “ ! 坚! ! ? 兰j i j i i i i ：i i 页_ 蜓糯l + 1 nl 删j 。 、! 竺竺：!竺! 兰z i 丽i 广一 k ，“【d ( f ) ) 为译码器反馈的软信息，作为检测器的先验信息。而k 、( 乜( f ) ) 为检测器得到的外 信息并且把它送给译码器。根据式( 3 1 ) 计算三d 。( n ( f ) ) 随着天线数、调制阶数和信道记忆氏度呈指 数增长，复杂度太高。我们将它作一变换，且设口( ，) 为发送信号瓦( 七) 的一个比特，得到： f p ( ! ( 女) 心) = a ) np ( 。( ，) ) b 小( f ”1 叫警币丽鬲可褊l b 2 ) 由于我们采用先抵消后合并方法，即先对接收信号! ( t ) 进行匹配合并再进行干扰抵消，( 3 2 ) 中条件 概率j p ( ! ( j i ) j 矗( i ) = 口) 的计算如下 p ( ! ( k ) h ( t ) = 口) “p ( ( ) h ( ) = d )( 33 ) “x 。( _ 惑糕端黼筹羔耘 我们根据式( 33 ) 和式( 3 2 ) 计算得到，( d ( f ) ) ，再根据它们计算得到p ( j 。( k ) = 口i ( ) ) ，然 后可以用它来更新信号的均值和方差。 在这里需要指出的是，当译码器存在反馈信息k ，( d ( f ) ) 时，我们用它代替三。，( ( f ) ) 来计算 得到户( ( ) = 口 ! ) a 在干扰抵消检测的一次迭代中，我们如果计算得到矗 ) 的每个比特的 k ，p ( ( ) ) 后立即对信号j 。( 七) 的均值和方差进行更新，使得在本次迭代中其他符号的检测时用到 7 东南大学硕士学位论文 了已检测符号更新后的均值和方差，这种方法就是通常所谓的串行干扰抵消。而如果计算得到s 。( ) 的每个比特的上。( 口( ，) ) 后不是立即更新其均值和方差，而是在本次迭代结束后对所有的符号一起 更新均值方差，就是所谓的并行干扰抵消。在相同次数迭代的条件下，串行软干扰抵消与并行软干 扰抵消相比，需要多进行一次均值方差重建，但是性能上优于并行干扰抵消。在首次检测时，由于 不存在译码器反馈的信息，因此选用了多次串行软干扰抵消获得更优的性能，而在后续检测中，由 于译码器反馈的软信息相对准确，我们就使用了单次并行软干扰抵消以降低复杂度。 2 。2 2 软解调 m 1 m o g m c 系统采用l 、q 两路独立映射的高阶q a m 调试，如1 6 q a m 、6 4 q a m 等。假设采 用的调制方法的阶数为2 q ，并且比特“1 。2 个比特映射到复符号集彳，比特口。o 一1 映射 到符号的实部，比特“。+ 1 哆映射到信号的虚部。因此我们可以分离i 、q 两路，只考虑一路 运算，假设比特d o 一。映射到实符号j 口l ，口2 ，a 2 。 。泽码器反馈的似然比为，一( 口) ， f _ 0 ，q 一1 。 根据文献 1 5 】，实部对应的比特d o 口l 。_ i 的似然比为 三m ( q ) 峄 - 噬坠等业趔+ 弘辛“” 。l 町雨2 。l 峄f 一隧盟掣竺逖+ 专鸭r 4 3 口j雨。2 。i 其中a 为o 口l “g l 组成的矢量a 虚部对应的比特“n 2 。l 的似然比为 三( n f ) m a x m a x 匦业掣坐趔国旷扣小，) 盯；南p _2 尸0 4 r 。i 嶝竽留旷扣巾，r j ；帛”。2 n ”一i 其中a 为“q d l 口2 。一1 组成的矢量。 2 2 3 均值方差重建 在得到信号估计值毛( a ) 和干扰噪声的方差h ( k ) 后，软解调单元根据它们来计算编码比特的似 然比，再将其送入译码器译码。根据文献 1 5 】中提出的低复杂度的均值方差重建方法，估计出新的均 值和方差，用于下一次软干扰抵消检测。与传统的均值方差重建方法相比，简化算法将其中乘法次 数降低到原来的1 q 。在这里我们就不详细说明了，详细参见文献 1 5 。 8 ! 堡三里：坚! 竺旦：鱼坚曼墨竺坌塑 2 2 4 外信息保留的t u r b o 迭代方法 在m i m o - g m c 系统中，译码器采用的是文献【1 5 提出的外信息保留的译码器结构，即在每次迭 代检测的第一次迭代译码中，译码器的先验信息不是置0 ，而是用前一次迭代检测的最后一次迭 代译码中译码器二的输出外信息经过反交织得到。这种思路来源于在多个软输入软输出模块进行联 合工作时，对于一个特定的模块，其他所有的模块的外信息都是相对独立的且可以作为该模块的先 验信息。 使用了这种迭代检测译码结构，每次迭代检测译码日寸译码器不再需要循环迭代多次，其每次译 码迭代次数可以大大地降低。根据t u r b o 码在高斯信道下不同的信噪比译码收敛所需要的迭代次数 不同，我们也可以在每次迭代检测译码时译码器选择不同的迭代次数，在前几次检测译码时检测的 结果往往较差，我们多用几次迭代译码，而在后续的检测译码中，可以相对减少迭代译码的次数。 r s c 译码器的译码算法通常可以使用软输入软输出的b c j r 算法1 1 9 】，及其对数域实现的 l o g 。m a p 算法和简化的m a x l o g - m a p 算法。在本文中使用了性能接近最优而数值性能较好的 l o g m a p 算法，关于具体的推演及算法描述参见第三章中t u r b o 译码算法的介绍。 9 第三章t u r b o 码的基本原理 第三章t u r b o 码的基本原理 t u r b o 码“3 1 最早于1 9 9 3 年由法国人b e r r o u 和g 1 a v i e u x 其同提出。它是卷积码家族中一族新的 子类并行级联卷积码( p c c c ) 。其编码器由两个递归系统卷积码( r s c ) 为子码并行级联而成，二 者间由非均匀交织器相互隔离。解码器则通常采用基于m a p 准则的迭代译码算法。t u r b o 码由于引 入了多项编译码新技术，使其具有十分优异的纠错性能，计算机仿真结果证实其在a w g n 信道下的 纠错性能己接近香农限。因而一经提出便受到广泛的重视并被认为是近年来纠错编码领域中最为重 大的突破。 t u r b o 码被公认为迄今已知的最佳前向纠错方案。因此在m l m o g m c 系统中选择t b o 码作为 它的纠错编码方案之一。 本章将首先介绍信道编码理论中香农限的概念，在此基础上给山t u r b o 码的编码结构及译码结 构，并介绍了t u r b o 码子译码器译码的m a p 3 ，1 ”、l o g m a p 陋2 6 ，2 7 1 和m a x l o 譬m a 9 1 等算法，在 本章的最后对几种算法作了一个简单的比较，并选择了综合性能最优的l o z m a p 算法作为我们设 计的t u r b o 译码器中子译码器的译码算法。 3 1 香农限 香农在其1 9 4 8 年发表的文章中提出了著名的香农信道编码定理： 如果传输速率月 c ，则不存在编码方法能保证错误概率趋向于零。 该定理指明信道容量是有噪信道中可靠通信所允许的传输速率的上限，在信道带宽受限和信号 功率受限的条件下，带限a w g n 信道的信道容量c 表示为 c 一川【嘉卜，s b ， 矿为带宽，只。为信道输入带限信号的平均功率。如果传输速率r = c ，则 芳扎9 2 【1 + 争+ 每 b i t s ，s b ：， e 。2 “”一】 y 62 蒜2 i 万( 3 3 扎一= 。慨丢旁= 1 们一1 6 招 ( 3 4 ) n 。是带限a w g n 信道中，传输速率尺，= c 时t 可靠通信所需要的最小每比特信噪比，又称香农 限。香农限是各种信道编码系统试图逼近的乜of 限。 香农信道编码定理肯定了编码方式的存在性，但并未说明找到符合要求的编码方式的途径。因 此信道编码领域的研究工作很多都集中在寻找好码及探索寻找好码的科学方法。 考虑一种随机编码方式，将女维信息比特空间按某种随机规则映射到n 维二进制码字空间，码 字的每个比特用b p s k 方式调制。在映射关系集合中，共有2 4 ) 种可能的映射规则，每种规则对应 于一种编码方式。将错误概率在整个映射关系集合上求取平均，得到平均错误概率只满足 东南大学硕士学位论文 夏 民。当r 。= c 。，对应的n 是该码率条件 下可靠通信要求的另一种信噪比+ f 限，将它记为y 6 ：。 = 去一，) b 对于a w g n 信道，采用二进制输入和软判决解码，它的信道容量c 为 c = 去骞州：捌妙 b m 州= 击唧 一学 ， b 四 瓦，m 。= 一厄盯：三。 ( 31 3 ) 当月= c ，得到可靠通信要求的又一种信噪比下限，将它记为，。，。 y 。、，和扎3 是在不同限制条件下得到的可靠通信要求的信噪比下限，三个下限的宽松程度 不同。对于同样的码率r ，一般情况f ，下限n 2 n 3 y 6 l 。( 3 1 4 ) 列出对应于码率只= 1 2 的三 个信噪比f 限： r 6 l 2 5 棚，6 2 0 船，y 63 0 2 船 ( 31 4 ) 目前，采用：大约束长度卷积码或级联码的信道编码系统接近或达到下限y 。，已非难事。编码技 术发展的目标是，在实现复杂度可接受的前提下，不断逼近下限y 6 2 和n 。 2 第三章t u r b o 码的基本原理 3 2t u r b o 编码器 纠错码的编码器结构是决定其纠错能力的基础，一个好的信道编码器能够生成具有优良码距特 性的好码，从而增强其抗错能力，反之一个劣质信道编码器则往往因为生成危险图案而导致译码性 能的急剧恶化。t u r b o 码的优异性能很大程度上便缘于其与众不同的编码结构。 3 。2 1t u r b o 编码器的结构 图3 1 是t u r b o 编码器的结构，它由两个相同递归系统卷积码( r s c ) 子编码器并行级联而成，两 级子编码器间以非均匀随机交织器相互隔离，通常在其编码输出前加相应的打孔器以适配相应的编 码码率。 x i 图31 t u r b o 码编码器的结构 t u r b 。码编码器中有两个相同的编码单元，为了避免重复输出原比特序列，采用了系统卷积码 ( r s c ) 而不是非系统码( n s c ) ，其原因是：虽然对下相同的限制长度，两者具有相同的最小自