（通信与信息系统专业论文）wcdma基站上行turbo译码的研究与实现.pdf

摘要 t u r b o 码是第三代移动通信的关键技术之一。t u r b o 码以其在高噪声的应用环 境中突出的高纠错性能而格外引人注目。对于高速的分组数据业务，w c d m a 采 用t u 曲o 信道编译码方式增强信号的抗噪声抗干扰能力。 本文首先介绍了t u r b o 编码和译码原理，详细解析了w c d m a 协议的复用编 码过程；并对t u r b o 编译码的性能进行了m a t l a b 仿真。介绍了t u r b o 码仿真的 m a t l a b 编程，在不同译码算法、不同交织长度和译码迭代次数的情况下分别对 3 g p p 协议规定的t u r b o 方案进行了译码性能仿真，画出了性能曲线并进行对比分 析。 最后，我们基于t i 最新的高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 4 8 8 实现了w c d m a 基站上行的解复用和t u r b o 译码处理。首先介绍了t m s 3 2 0 c 6 4 8 8 的基本特征、d s p 代码编程优化的方法、d s p b i o s 特别是任务调度的基本知识，接着介绍了解复用 解码的d s p 实现流程和任务调度设计、t u r b o 译码协处理器( t c p 2 ) 的使用和译 码参数配置、译码前数据量化的算法、e d m a 3 传输参数配置和t u r b o 生成内交织 表的优化方案，并测试了解复用解码处理的功能正确性和t c p 2 的译码性能。 关键词：w c d m at u r b om a pt c p 2t m s 3 2 0 c 6 4 8 8 ab s t r a c t t u r b oc o d i n ga n dd e c o d i n gs c h e m ei so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h e3 g s y s t e m s t u r b oc o d ei so u t s t a n d i n go fi t sh i g he r r o r - c o r r e c t i n gp e r f o r m a n c ei nh i g h n o i s ea p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t f o rh i g h - r a t ep a c k e ts w i t c hs e r v i c e ，w c d m aa d o p t s t u r b oc o d i n gs c h e m et oi m p r o v et h ea n t i n o i s ec a p a b i l i t yo ft h es i g n a l t h i sp a p e rb e g i n sw i t ht h ep r i n c i p l eo fc h a n n e lc o d i n gt h e o r y , t u r b oc o d i n ga n d d e c o d i n g ，a n dp r e s e n t si n - d e p t ha n a l y s i s o nt h ec h a n n e lc o d i n ga n dm u l t i p l e x i n g p r o c e s so fw c d m a o nt h eb a s eo f3 g p pp h y s i c a lp r o t o c 0 1 t h e ns i m u l a t i o n so nt u r b o c o d i n ga n dd e c o d i n gp r o c e s s e sw i t hd i f f e r e n td e c o d i n ga l g o r i t h m s ，d i f f e r e n tf r a m e l e n g t ha n di t e r a t i o n sh a v e b e e np e r f o r m e du s i n gm a t l a b t h ec u r v e s o ft u r b o d e c o d i n gp e r f o r m a n c ei sp l o t t e df o rc o m p a r i s o na n da n a l y s i s f i n a l l y , w er e a l i z ed e m u l t i p l e x i n ga n dd e c o d i n go fw c d m a b a s e do nt i sh i g h p e r f o r m a n c et m s 3 2 0 c 6 4 8 8d s rf i r s t l y , w e i n t r o d u c et h eb a s i cc h a r a c t e r so f t m s 3 2 0 c 6 4 8 8 ，h o wt oo p t i m i z ed s pc o d ea n dh o w t ou s ed s p b i o s ，e s p e c i a l l ya b o u t t a s ks c h e d u l i n g t h e nt h em a i np r o c e s sf l o wa n dt a s ks c h e d u l i n gd e s i g no fw c d m a u p l i n kd e m u l t i p l e x i n ga n dd e c o d i n ga lep r e s e n t e di nd e t a i l c o n f i g u r a t i o no ft c p 2 d e c o d i n gp a r a m e t e r s ，t h es c a l i n ga l g o r i t h mu p o nt c p 2i n p u td a t a , c o n f i g u r a t i o no f e d m a 3 乜舡l s f e rp a r a m e t e r sa n dt h eo p t i m i z e ds c h e m eo fg e n e r a t i n gt u r b oi n t e r n a l i n t e r l e a v e ra r ea l s oe x p l a i n e d i nt h ee n d ，t e s to ft u r b od e c o d i n gp e r f o r m a n c eo ft c p 2 i sp e r f o r m e d k e y w o r d s ：w c d m a t u r b om a pt c p 2t m s 3 2 0 c 6 4 8 8 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新陛) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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；也不包含为获得西安电子科技大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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：垃窒：型日期型2 ：主：三 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布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论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期坦口：兰 日期j 坦埘 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 w c d m a 是一种由3 g p p 制定的，基于g s mm a p 核心网，u t r a n ( l 刀t s 陆地无线接入网) 为无线接口的第三代移动通信系统。w c d m a 的发起者主要是 欧洲和日本的标准化组织和厂商。w c d m a 协议规范充分考虑了与第二代g s m 移 动通信系统的互操作性和对g s m 核心网的兼容性，得到大多数通信设备厂商和运 营商的大力支持，目前已在全球4 9 个国家和地区成功商用【5 儿倒。 国际电信联盟( 1 1 u ) 要求第三代移动通信系统能够在移动的环境下自由地进 行包括语音、数据和动态图像的多媒体通信，由此对传统信道编码提出了新的要 求。t u r b o 码克服了传统码随机性差、码字重量分布不均的缺点，在高速率数据传 递状态下有着良好的纠错性能。对于高速的分组业务数据传输，w c d m a 采用 t u r b o 编码方案来增强抗噪声抗干扰能力。但t u r b o 码的编、译码算法复杂度高， 硬件实现难度大，而且有时延大，存储量大等缺点。研究t u r b o 译码算法的复杂度 和性能，采用合适的方案实现w c d m a 基站上行链路的t u r b o 译码，成为w c d m a 基站系统研发的重要课题。 1 2 信道编码定理和t u r b o 码的提出 通信的主要目的是高效、可靠地传输信息。长期以来，信道编码的发展方向 是一直遵循着香农信息论发展的。一个编码数字通信系统的组成框图如图1 1 所 示。 f 一一一! 一一一一一，、一一一一j 编码信道 图1 1 编码数字通信系统的组成框图 1 9 4 8 年香农提出了著名的信道编码定理，指出对每一类信道都存在着一定的 2 w c d m a 基站上行t u r b o 译码的研究与实现 信道容量c ，它是信道的最大极限传输能力，只要当实际的传输速率r 经过 一个n 位交织器，形成一个新序列1 1 1 ，= u ：，u ：，“) ( 长度与内容没变，但比特位 置经过重新排列) 。u 与u ，分别传送到两个分量码编码器( r s c l 与r s c 2 ) ，一般 情况下，这两个分量码编码器结构相同，生成序列x 川与x 彤。为了提高码率，序 列x 叫与x 以需要经过删余器，采用删余( p u n c t u r i n g ) 技术从这两个校验序列中 周期地删除一些校验位，形成校验位序列x p 。x p 与未编码序列x 5 经过复用调制 后，生成了t u r b o 码序列x 。例如，假定图2 1 中两个分量编码器的码率均是1 2 ， 为了得到1 2 码率的t u r b o 码，可以采用这样的删余矩阵：p = 10 ，01 】，即删去 来自r s c l 的校验序列x m 的偶数位置比特与来自r s c 2 的校验序列x 肛的奇数位 置比特。 在t u r b o 码的生成中，交织器【1 8 】扮演着重要的角色。交织器虽然仅仅是在r s c 2 编码器之前将信息序列中的n 个比特的位置进行随机置换，但它却起着关键的作 用，在很大程度上影响着t u r b o 码的性能。通过随机交织，使得编码序列在长为 2 n 或3 n ( 不使用删余) 比特的范围内具有记忆性，从而由简单的短码得到了近 似长码。当交织器充分大时，t u r b o 码就具有近似于随机长码的特性。 t u r b o 码是建立在一种特殊的系统卷积码一递归系统卷积码( r s c ) 基础之上 的，它以两个r s c 码作为它的分量码。所以我们有必要进一步对r s c 码进行介绍。 4 w c d m a 基站上行t u r b o 译码的研究与实现 从差错控制编码的有关文献【8 1 中我们可知，非系统卷积码( n s c ) 的b e r 性能在 高信噪比时比约束长度相同的非递归系统码要好，而在低信噪比时情况却正好相 反。递归系统卷积( r s c ) 码综合了n s c 码和系统码的特性，虽然它与n s c 码具 有相同的t r e l l i s 结构和自由距离，但是在高码率( r ，2 3 ) 的情况下，对任何信 噪比，它的性能均比等效的n s c 码要好【l 】。因此，在t u r b o 码中采用r s c 码作为 分量码。一个生成多项式为( 3 7 ，2 1 ) 的1 6 状态r s c 编码器结构如图2 2 所示。 图2 2 递归系统卷积码编码器( g l ，9 2 ) = ( 3 7 ，2 1 ) 用r s c 码构成的t u r b o 码的码率r 为： 责= 玄+ 吉一l式( 2 - 1 ) r 1 、r 2 为构成t u r b o 码的分量码的码率，在经删除后，分量码r s c l 与r s c 2 的码率r 1 、r 2 可以不同。 。 在码率为1 2 的情况下，t u r b o 码在k 时刻的输出为以= ( x ：，x f ) ，其中由x f l 和x f 2 交替组成。假设采用b p s k 调制方法，则信道上的发送符号为： c i = ( c ；，c f ) = ( ( 2 x ：- 1 ) 4 e , ，( 2 x f - 1 ) 4 e ，) 式( 2 2 ) 经过信道传输、解调，接收器匹配滤波器在k 时刻的输出采样值为 y 。= ( 蚝，y f ) ，译码器的任务就是从此接收序列估计发送信号。 2 2t u r b o 码的译码原理 t u r b o 码的译码比常规的卷积码要复杂得多。译码算法的关键是不但要能够对 每比特进行译码，而且还要伴随着译码给出每比特译出的可靠性信息，有了这些 信息，迭代才能进行下去。用于t u r b o 码译码的具体算法有：m a p ( m a x i m u ma p o s t e r i o r i ) 【1 引、l o g m a p 、m a x l o g m a p 和s o v a ( s o f to u t p u tv i t e r b ia l g o r i t h m ) 算法。m a p 算法是1 9 7 4 年被用于卷积码的译码，但用作t u r b o 码的译码还是要做 一些修改：l o g m a p 与m a x l o g m a p 是根据m a p 算法在运算上做了重大改 进，虽然性能有些下降，但使得t u r b o 码的译码复杂度大大降低了，更加适合于实 际系统的运用；v i t e r b i 算法并不适合与t u r b o 码的译码，原因就是没有每比特译出 第二章t u r b o 码的编译码原理 5 的可靠性信息的输出，修改后的具有软信息输出的s o v a 算法，就正好适合了t u r b o 码的译码。这些算法的原理是对t u r b o 码的应用研究的基础，同时对这些算法复杂 度和性能的研究也有助于t u r b o 码的应用研究。 2 2 1t u r b o 码的迭代译码原理 由于t u r b o 码是由两个或多个分量码经过不同交织后对同一信息序列进行编 码【1 8 】，对任何单个传统编码，通常在译码器的最后得到硬判决译码比特，然而t u r b o 码译码算法不应局限于译码器中通过的是硬判决信息，为了更好的利用译码器之 间的信息，译码算法所用的应当是软判决信息而不是硬判决。对于一个由两个分 量码构成t u r b o 码的译码器是由两个与分量码对应的译码单元和交织器与解交织 器组成，将一个译码单元的软输出信息作为下一个译码单元的输入，为了获得更 好的译码性能，将此过程迭代数次，这就是t u r b o 译码器的基本的工作原理【7 j 。 2 2 2t u r b o 码译码器的组成 t u r b o 码译码器由两个软输入软输出( s i s o ) 译码器d e c l 和d e c 2 、交织器 和相应的解交织器组成，其基本结构如图2 3 所示。译码器d e c l 对分量码r s c l 进行最佳译码，产生关于信息序列1 1 中每一比特的似然信息，并将其中的“新信息” 经过交织送给d e c 2 ，译码器d e c 2 将此信息作为先验信息，对分量码r s c 2 进行 最佳译码，产生关于交织后的信息序列中每一比特的似然比信息，然后将其中的 “外信息”经过解交织送给d e c l ，进行下一次译码。这样，经过多次迭代，d e c l 或d e c 2 的外信息趋于稳定，似然比渐进值逼近于对整个码的最大似然译码，然 后对此似然比进行硬判决，即可得到信息序列u 的最佳估值d 。 图2 3t u r b o 码译码器的结构 假定t u r b o 码译码器的接收序列为y = ( y 5 ，y p ) ，冗余信息y p 经解复用后，分 别送给d e c l 和d e c 2 。于是，两个软输出译码器的输入序列分别为： 6 w c d m a 基站上行t u r b o 译码的研究与实现 d e c i y l = ( y 5 ，y 1 p ) ， d e c 2 ： y 2 = ( y ，y 印)w ，r ， 为了使译码后的比特错误概率最小，根据最大后验概率译码准则，t u r b o 译码 器的最佳译码策略是，根据接收序列y 计算后验概率( a p p ) p ( u i ) = p ( u 。iy 。，y ：) 。 显然，这对于稍微长一点的码计算复杂度太高。在t u r b o 码的译码方案中，巧妙地 采用了一种次优译码规则，将y ，和y ：分开考虑，由两个分量码译码器分别计算后 验概率p ( u ii y 。，k ) 和p ( u 。i y 2 , e ) ，然后通过d e c l 和d e c 2 之间的多次迭代， 使它们收敛于m a p 译码的p ( u 。iy 。，y ：) ，从而达到近s h a n n o n 限的性能。这里，k 和k 为附加信息，其中k 由d e c 2 提供，在d e c l 中用作先验信息，k 由d e c l 提供，在d e c 2 中用作先验信息。 关于p ( u 。i y ，k ) 和p ( u 。iy 2 , k ) 的求解，目前已有多种方法，它们构成了 t u r b o 码的不同译码算法，我们将在后续章节中详细介绍。下面我们以b c j r 的前 向一后向m a p 软输出算法为例来讨论t u r b o 码的译码。 2 2 3 最大后验概率译码( m a p 算法) 考虑图2 4 所示的软输入软输出( s i s o ) 译码器，它能为每一译码比特提供对 数似然比输出。 m a p 译码器 图2 4 软输入软输出译码器框图 图2 4 中，m a p 译码器的输入序列为y = y f = ( y l ，y ：，y k ，y ) ，其中 y t = ( y ：，y f ) 。r 。) 是关于“。的先验信息，l ( u 。) 是关于。的对数似然比。它们 的定义如下： 式( 2 3 ) 式( 2 4 ) 假定发送端r s c 编码器的存储级数为y ，约束长度为k ，编码器在k 时刻的 状态为s 。= ( 以。，口，口h + ，) ，编码输出序列为x = x s , x ，) 。传输信道模型如图 2 5 所示。 d 一 旧岫 =一“ 订一加等等 兰 订 卜 兰 第二章t u r b o 码的编译码原理 7 从图2 5 可知， ) ，：= 口；+ 月：= 口：( 2 一1 ) 瓦+ 盯； y ：= 8 2 c ：+ n 2 = a f t ( 2 x ： 一吣压+ n ： 以 y ： 式( 2 - 5 ) 式( 2 6 ) 图2 5 信道模型 式中口：和口；为信道衰落因子，对于a w g n 信道，a ；= 口：= 1 。”i 和刀f 是两个 独立同分布的高斯噪声样值，它们的均值为0 ，方差仃2 = n 2 。 m a p 译码器的任务就是求解式( 2 4 ) ，然后按照下列规则进行判决： 磊。： 二三( 甜t ：专三 式(27)l 叱2 1o ，( u 1 ) o 武 下面我们利用b c j r 算法【1 3 1 推导对式( 2 4 ) 的计算方法。 根据贝叶斯准则，式( 2 - 4 ) 可以写为： 地沪- n 畿鬻 p ( s l t 一。= ，瓯= 只y ：v ) p ( y ，) 一n 妻面j 鬲丽式(2-8sb,sk ) 艺p ( 墨一。= s ，y ? ) p ( y ? ) ( s ，5 ) 毗= 0 上式中，求和是对所有由“。= 1 ( 或u 。= 0 ) 引起的瓯一。专咒的状态转移进行 的。p ( s = s ，s i = j ，y ? ) 可以按下式计算： p ( s v , s ，y ；v ) = p ( ，y f 。1 ) - p ( s ，y i i s ) p ( y l t 篡l i s ) = 口( 一) y t ( ，印展( s ) 式( 2 9 ) 其中，口。( j ) 毫p ( 瓯= s ，y ：) 为前向递推， 展( s ) 三p ( y t , i 足= s ) 为后向递推， 8 w c d m a 基站上行t u r b o 译码的研究与实现 以( s ，j ) 言p ( s 。= s ，y tls = s ) 为s 和s 之间的分支转移概率。 下面我们来求口。( s ) ，鼠( s ) 和儿( s ts ) 。由定义得 咏( s ) = p ( 瓯= s ，s 川= s ，y ：) j = p ( & 一，= s ty p ( s 。= s ，y 。i s = ，y n j 考虑到r s c 编码器等效于一个马尔可夫源，在状态瓯一。已知时， 后发生的事件与以前输入无关。因此，从式( 2 1 0 ) 可得前向递推公式 口i ( s ) = g ( s ) p ( s t = s ，y its h = s ) = 口( s 。) ( s 。，s ) 同样，鼠( s ) 可按下式反向递推得到 展一。( s ) = p ( s 七= s ，y is 。_ = s ) j = p ( y 竺。ls 。= s ) p ( s i = s ，y 。is k 一，= j ) 式( 2 1 0 ) k 一1 时刻以 式( 2 1 1 ) = 展( s ) 九( s ，s ) 式( 2 1 2 ) 至于分支转移概率g k ( s ，s ) ，从其定义可得 厂i ( s i , s ) = p ( s k = s l 最一l = ，) p ( y i i s t = s ，s = ) = e ( u t ) p ( y ti u k )式( 2 1 3 ) 其中e ( u 。) 是u 。的先验概率，p ( y 。iu 。) 由信道转移概率决定。 至此，如果将式( 2 4 ) 分子分母中的p ( y 7 ) 约掉，l ( u 。) 的求解己基本完成。 然而，由于式( 2 1 3 ) 是从连续随机变量的概率密度计算得到，“( s ，占) 的值可能 大于1 ，这会使得式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 产生溢出，导致整个算法不稳定。因此，有 必要对口。( s ) ，屏( s ) 进行归一化处理。 令 藏( s ) = 口。( s ) p ( y ：) 屈( s ) = 展( s ) p ( y l ，ly ；) 式( 2 1 4 ) 因为p ( y f ) = p ( s 。= s ，y ：) ，所以 舀。( s ) = 口。( s ) 口t ( s ) 式( 2 - 1 5 ) 将式( 2 - 1 0 ) 代入上式，并且分子分母同除以p ( y ：) ，得到 第二章t u r b o 码的编译码原理 9 式 瓯一。( s ) y 。( ，s ) p ( y ：q ) 磁( 加萎压j 万万而丽两 藏一。( ，) 以( ，j ) j 一瓦一。( j ) 儿( ，j ) jj 对于反( s ) ，考虑到p ( y ? l y ：一1 ) = p ( y 爸。l y ：) p ( y ：) p ( y ：一1 ) ，于是有 眦p 揣：未淼 屈( s ) 以( s ，s ) p ( y z 。iy ：) = i 而历牙r 一 厦( s ) 以( s ，s ) 2 5 羔万万面顶而 f l 。( s ) r 。( s ，s ) = ! 一 藏一。( s 讥( s ，s ) jj 式( 2 1 6 ) 式( 2 1 7 ) 合并式( 2 9 ) 和式( 2 1 4 ) 得 p ( s ，s ，y y ) = 藏。( ，) p ( y ：一1 ) y 。( ，s ) 厦( s ) p ( y 嚣。l y e ) = 瓯一。( s ) 厂。( s ，d 磊( s ) p ( y ：一1 ) p ( y y ) p ( y ：) = 磁一。( s ) 儿( ，s ) 厦( s ) p ( y f ) p ( y t i y ：一1 ) 式( 2 1 8 ) 将上式代入式( 2 8 ) ，并且分子分母同乘以因子p ( y 。iy ：_ 1 ) ，便得最终计算公 三 t ) = i n 儿o 九o ，s ) 展( s ) ，s ) 级( s ) 式( 2 - 1 9 ) 这样，我们就完成了分量码的m a p 译码算法的推导。藏( s ) 和厦( s ) 的递推运 算示意于图2 6 ，其中西( s ) 的初始条件为( 假定r s c 编码器的初始状态为零状态) ： 瓯( o ) = 1 ，玩0 o ) = 0 式( 2 2 0 ) 、， 一、， o o竺胁 驴瑟唧 1 0 w c d m a 基站上行t u r b o 译码的研究与实现 如果编码器在每帧编码完成之后通过结尾( t e r m i n a t i o n ) 处理也回到零状态， 那么厦( s ) 递推的初始条件为： 风( 0 ) = 1 ，风( s 0 ) = 0 式( 2 - 2 1 ) 否则，应设定为： 风( j ) = l 2 ”v s式( 2 2 2 ) ( s ：) ( s ：) 图2 6 瓦0 ) 和反( s ) 的递推示意图 利用贝叶斯准则，从式( 2 4 ) 我们可以看出 川地揣地瓦p ( u k 面= 1 ) = l n 勰竹似) 式( 2 - 2 3 ) 其中r ( “。) 是关于甜。的先验信息。在以往的译码方案中，通常认为先验等概， 因而r 。) = 0 。而在迭代译码方案中，r ( “。) 是前一级译码器作为外信息给出的。 为了能使迭代继续进行，当前译码器应从式( 2 2 3 ) 的第一项中提取出新的外信息 并且提供给下一级译码器，作为下一级译码器接收的先验信息。式( 2 3 ) 可以写为： 脚沪h 雨p ( u k 丽= 1 ) - 1 n 端1 式( 2 - 2 4 ) 一。 p ( = o ) 一尸( = 1 ) 。7 从上式，我们可得：p ( u i ) = 4e x p u t r ( “t ) 2 1 式( 2 2 5 ) 其中，a k2 再石面1 孑瓦两为常量。 对于p ( 儿lu k ) ，根据y i = ( y ；，y f ) ，x 。= ( x ：，j f ) = 。，x f ) ，我们可得 p c 州芘酬一笺竽一笋， 第二章t u r b o 码的编译码原理 刮一盎蓦生脚c 学， ：be x p 型掣】 仃。 结合式( 2 1 3 ) ，可得 y 。( s ，s ) 芘4 b ke x p 甜。r ( “。) 2 e x p 竺学】 式( 2 2 6 ) 定义r f ( s ，s ) = e x p l 。y t p 。p 】，定义信道可靠性值l c 三4 a e , n o ，对于a w g n 信道上的q p s k 传输，t = 4 n o ，而盯2 = 0 2 ，于是式( 2 - 2 5 ) 可以写为 y i ( j ，占) o ce x p - u t ( r ( 甜i ) + t y i ) + 吉t y f x f 】 = e x p 专u i ( r ( ) + l 以) 】戌s vj ) 式( 2 2 7 ) 结合式( 2 1 9 ) 与式( 2 2 7 ) ，我们可得 “玑、一川：+ r 阢，+ 。2 f 至垒：! 三二! 竺：尘垒竺 式( 2 2 8 ) 以) 一t 以“一) + 1 0 9 l 泰丽万丽i n 厶弱j 此式中，第一项叫做信道值；第二项代表的是前一个译码器为第二个译码器 所提供的关于“。的先验信息；第三项代表的是可送给后续译码器的外部信息。对 于图2 - 3 所示的t u r b o 译码器，如果分量码译码器d e c l 和d e c 2 均采用上述m a p 译码算法，则它们在第i 次迭代的软输出分别为： d e c l ： 4 0 ( “。) = l 。y ：“置。 。) r 1 + 置： 。) p 式( 2 2 9 ) d e c 2 ： 掣g i k ) = l c y 乏“置： 厶) 】n + i t 4 。 厶) 】( f ) 式( 2 - 3 0 ) 其中磋 。) 是前一次迭代中d e c 2 给出的外信息e 。( u 厶) 经解交织后的信息， 在本次迭代中被d e c l 用作先验信息；鬈：( “女) 是d e c l 新产生的外信息，即式( 2 2 8 ) 中的第三项；鬈：( “，。) 为经交织的从d e c l 到d e c 2 的外信息。整个迭代中软信息 的转移过程为： d e c l 专d e c 2 专d e c l 一d e c 2 专 m a p 算法的引入使组成t u r b o 码的两个编码器均可采用性能优异的卷积码， 同时采用了反馈译码的结构，实现了软输入软输出，递推迭代译码，使编译码过 程实现了伪随机化，并简化了最大似然译码算法，使其性能达到了逼近s h a n n o n 限。但m a p 算法存在几个难以克服的缺点：( 1 ) 需要在接收到整个比特序列后才能 做出译码判决，译码延迟很大。( 2 ) 计算时既要有前向迭代又有后向迭代。( 3 ) 与比 w c d m a 基站上行t u r b o 译码的研究与实现 特序列呈正比的存储量等。为了克服m a p 算法的缺点，一方面根据m a p 算法进 行简化；一方面寻找新的在性能上与m a p 算法相差不太大的译码算法。常见的译 码算法有以下两类： ( 1 ) m a p 算法及改进算法：主要有l o g m a p 算法和m a x l o g m a p 算法。 ( 2 ) s o v a 算法及其改进算法，其运算量为标准v i t e r b i 算法的两倍，运算量 低于m a p 算法，但其译码增益比m a p 算法要小。 2 2 4l o g - m a p 算法和m a x - l o g - m a p 算法 上面介绍的m a p 算法，e h 于它的运算复杂度很高，包含了大量的乘法运算， 因此给实现带来了较大困难。所以在实际应用中应用的大都是m a p 的对数域算法， 可以化乘法为加法，从而大大减少运算量，如l o g m a p 算法和m a x l o g m a p 算法【l l 】【12 1 。 首先分别对m a p 算法中的藏( s ) ，厦( s ) ，l c , s ) 取对数来定义度量： a 。( s ) = i n ( 玩( s ) ) ，b 。( s ) = i n ( 厦( j ) ) ，lo ，s ) = l n ( y 。( s ，s ) ) x - - ( 2 3 1 ) 其中m a x ( x ，) 表示& ， 的最大值，可以得到： l ( s ，s ) = l n ( r k ( s ，s ) ) = c + 百1u k l ( u k ) + 了1l c 窆 一一l = j 彳t o ) = l n ( 岔t 0 ) ) mt 一，o ) + l o i 一1 0 ) + r t 0 ，s ) ) 式( 2 3 2 ) 反一- ( s ) = 1 n ( 反一( j ) ) a x ( am a x ( b t ( s ) + l ( s ，s ) ) 式( 2 - 3 3 ) c 是不依赖u 。或发送码字以的，可视为常数，对于各路径都是一样。可以看 出分支量和v i t e r b i 算法中的分支量很相似，只不过添加了一个先验信息“。l ( u 。) 。 l ( u tl 】，) = 哌一。 ! ! ：! ! ：三坠三! ! 玩一， ( 5 声) = ；一i ( 一栅m a x 。( 钆( s ) + 色( s ) + l ( j ，s ) ) - ( 吐归m a x 广。( 钆( s ) + 玩( j ) + l ( s ，s ) ) 式( 2 3 4 ) 这种算法通常称为m a x l o g m a p 算法，由于采用了式( 2 3 3 ) 的近似，其性 能与m a p 算法相比有了很大的下降。 l o g m a p 是对m a x l o g m a p 作了一定修正： 第二章t u r b o 码的编译码原理 l n ( e + ) = m a x ( x l ，x 2 ) + l n ( 1 + e - l x 2 - 。, 1 ) = m a x ( x i , x 2 ) + 正( 一x 2 ) 式( 2 3 5 ) 其中定义修正函数：正( x ) = l n ( 1 + e - l x 2 - x , i ) 。 利用上述校正函数可以得到上式左边项的精确近似。在实际中一般是不需要 对六( x ) 的值进行计算，可以通过查一维表的方法获得比较精确的近似解，这种方 法被称为l o g m a p 算法。可以看出，l o g m a p 算法只是比m a x l o g m a p 算 法稍许复杂了点，多了查表和加法运算，但因为添加了一个校正项，其性能大为 提高，比较接近于m a p 算法的性能。 第三章w c d m a 上行编码复用协议解析 1 5 第三章w c d m a 上行编码复用协议解析 3 1w c m d a 系统编码复用原理 w c d m a 是3 g p p 提出的第三代移动通信标准。在w c d m a 系统中，高层的 数据通过传输信道映射到物理层的物理信道上。物理层既要有能力支持传输宽带 业务所使用的多种速率的传输信道，又要能够把多种业务复用到同一连接中。 每一个传输信道都有一个传输格式指示信息( t f i ) ，物理层把同一时刻到达 的各传输信道的t f i 组合成传输格式组合指示( t f c i ) ，用来通知接收机当前帧的 传输信道的格式。接收机从解调后的t f c i 信息判断出当前信道的传输格式，从而 能够正确解调接收信息。 每个传输信道对应一个业务，由于各种业务对时延的要求不同，所以其传输 时间间隔( t t d 是不同的，t t i 可以是1 0 m s 、2 0 r n s 、4 0 m s 或8 0 m s 中的一种 3 1 1w c d m a 的上行传输信道 传输信道分为公共传输信道与专用传输信道两种【5 】【6 1 ，专用信道是采用了特定 的扩频码和扰码，为某一个用户所专用；公共信道则是为整个小区或小区中的某 一组用户所公用。 w c d m a 上行的传输信道主要有专用信道( d c h ) 、随机接入信道( r a c h ) 、 增强专用信道( e d c h ) ，其中r a c h 是公共信道，d c h 和e d c h 是专用信道。 d c h 传输信道主要用来传输用户数据和高层信令。r a c h 传输信道用于传输相对 量小的数据，如初始接入或非实时专用控制或业务数据。e d c h 主要承载高速上 行分组接入( h s ) a ) 数据业务。 3 1 2w c d m a 的上行物理信道 w c d m a 上行的物理信道主要有专用物理数据信道( d p d c h ) 、专用物理控 制信道( d p c c h ) 、物理随机接入信道( p r a c h ) 、增强专用物理数据信道 ( e d p d c h ) 、增强专用物理控制信道( e d p c c h ) 。 上行d p d c h 物理信道用来承载d c h 传输信道。每条无线链路可以有0 、l 或多个上行d p d c h 。 上行d p d c h 物理信道用来承载层1 ( 物理层) 产生的控制信息。层l 控制信 息包括用于支持一致性检测信道估计的发送功率控制( t p c ) 命令、反馈信息( f b i ) 1 6 w c d m a 基站上行t u r b o 译码的研究与实现 和可选的传输格式组合指示( t f c i ) 。每条无线链路有且只能有1 个上行d p d c h 。 图3 1 显示了上行d p d c h 和上行d p c c h 的帧结构。每个1 0 m s 无线帧的分 为1 5 个时隙，每个时隙长度正，。，= 2 5 6 0 码片，每个码片对应于功率控制周期。 d p d c h 和d p c c h 总是在时间上对齐。 啪c h 二二二二二二戛二二二二 t , i o t = 2 5 6 0c h i p s ，n d m = 10 2 b i t s ( k - o 一6 ) p i l o t t f c il f b i l t p c n d i l o tb i t sn t f c lb i t si n n 3 1b i t s i n r v cb i t s 1 2 5 6 。c h i p 8 i ：一7 s i o t 棚s l o t 撑1s l o t 撑is l o t 撑1 4 图3 1 上行d p d c h d p c c h 的帧结构 e d p d c h 用来承载e d c h 传输信道。可以每条无线链路可以有o 、1 或多个 上行e d p d c h 。 e d p c c h 用来传输e d c h 相关的控制信息，每条无线链路只能有最多1 个 e d p c c h 。 ， 图3 2 显示了e d p d c h 和e d p c c h 的帧( 子帧) 结构。每个无线帧被划分 为5 个子帧，每个子帧长度为2 m s ；第一个子帧在无线帧的帧头，第5 个子帧在无 线帧的帧尾。 e d p d c h l d a t a ，n 由乜b i t s l l o t = 2 5 6 0c h i p s n d 如= 10 2 “b i t s ( k = o 7 ) 1 0b i t s 一、5 2 5 6 。c h i p i 一一 s g o t 加 s l o t 撑1s l o t 般s l o t 撑is l o t # 1 4 1r a d i o f r a m e t f = 1 0m s 图3 2 上行e d p d c h e ，d p c c h 的帧结构 第三章w c d m a 上行编码复用协议解析 1 7 3 1 3w c d m a 编码复用的作用 w c d m a 的编码复用【2 】过程把传输信道的信息经过c r c 添加、编码、交织、 速率匹配等操作，复用到物理信道中。在w c d m a 的信道编码技术中除了继承第 二代移动通信的话音编译码和交织技术外，还针对多种业务质量要求引入了纠错 能力更强的差错控制方法。并且作为提供综合业务的移动通信系统的组成部分， 信道编码技术中融入了业务复用、速率匹配等功能模块。 信道编码是为了保证数据传输的可靠性，而复用技术则实现了w c d m a 中多 种质量要求不同的业务如视频、分组数据和话音业务等在同一物理连接上的传输。 在w c d m a 系统中，通过复杂的编码复用方案，成功地将不同速率( 变速率) 、 不同q o s ( 延时和误码率) 的业务复用成一个信道，实现了多媒体业务的传输， 可以适应几乎任意种类的业务组合。因此在一次无线连接中，即使各业务速率相 差很大，发送数据率和功率也是恒定的，从而降低了对功放线性化的要求。 同时，通过编码复用过程中的两次交织，打乱了原始数据的顺序，可以很好 地分散突发错误，增强数据的抗干扰抗衰落能力。 w c d m a 中的编码复用分上行链路与下行链路两种情况，上行链路编码复用 是指数据在用户设备端( u e ) 编码后发往基站端，下行链路编码复用是指数据在 基站端编码后发往用户端。上、下行链路的处理过程有所不同，但总的来说基本 上是一致的。这里主要解析上行链路编码复用协议。基站端的上行解复用解码就 是编码复用过程的逆过程。 3 2w c m d a 上行编码复用过程解析 数据在每个发送时间间隔( t t i ) 以传输块集的形式到达编码复用单元。传输 时间间隔( t t i ) 根据不同的传输信道可能不同，可以为1 0 m s ，2 0 m s ，4 0 m s 中的 一种。 w c d m a 的上行链路的编码复用一般过程2 】如图3 3 所示。 1 8 w c d m a 基站上行t u r b o 译码的研究与实现 3 2 1c r c 粘贴 图3 - 3 上行链路的传输信道复用结构图 c r c 校验完