（通信与信息系统专业论文）turbo接收机在b3g系统中的应用.pdf

t u r b o 接收机在b 3 g 系统中的应用 摘要 新一代移动通信要求在有限的频谱资源上实现高速率和大容量，需要频谱 效率极高的技术，于是在其系统设计中，往往采用多输入多输出正交频分复用 ( m o o f d m ) 系统架构，这就对m i m o 检测提出了更高的要求，通常由于设 计上的困难会给系统带来一定的性能损失，因此在接收机中需要通过t u r b o 迭代 技术来减小干扰的影响，提高系统性能。t u r b o 迭代使用了“t u r b o 码译码原理”， 将译码器输出的软信息反馈给检测器，并通过多次迭代，在检测器和译码器之 间充分进行信息交换来获得性能的提高。在m i m o o f d m 系统的t u r b o 接收机 的设计中，将软入软出的m i m o 检测算法( 即软干扰抵消算法，s i c ) 与低密度极 性校验码( l d p c ) 译码算法进行迭代检测，使得系统性能可以得到4 d b 以上的增 益。同时，t u r b o 接收机具有较高的复杂度，与采用的m i m o 检测算法和l d p c 译码算法的复杂度呈线性关系，可以通过降低m i m o 检测内部迭代次数，设定 m i m o 检测概率门限等方法来降低其复杂度。 o f d m 技术是新一代移动通信系统的基本实现技术之一，但o f d m 信号存 在峰值平均功率比( 简称峰平比，p a r r ) 过高的问题，在常见的p a p r 控制技术中， 限幅法是最简单和最直接的方法，但会导致非线性失真，应用限幅噪声循环估 计对消算法可以解决这一问题。但是由于限幅噪声循环估计对消算法使用了循 环迭代的结构，给接收机的设计带来了一定复杂度，因此可以考虑在已经有了 迭代结构的接收机t u 曲。接收机中使用该算法，这样在减小峰值平均功率 比给系统性能带来的影响的同时，又不会给接收机增加太多的复杂度。 移动通信正在经历高速发展的阶段，国家8 6 3 计划已于2 0 0 2 年制定并启动 了未来移动与无线通信发展的f u t u r e 计划。在该计划第二阶段中，电子科技 大学负责时分双工方式下行链路设计，为对各单位方案进行公平的比较，西安 交通大学承接了在基于c 语言的测试平台上进行的性能测试。本文作者主要参 与了该平台接口程序及发射机、接收机调度程序的编写和联调工作，尤其是在 传输速率为1 0 0 m b i t s 和5 0 m b i t s 链路的程序编写及调试上做了大量工作。 关键词：t u r b o 接收机；多输入多输出：正交频分复用；峰值平均功率比 皇王型垫奎堂堡主兰堡堡苎 a b s t r a c t b e y o n d t h et h i r dg e n e r a t i o n0 3 3 g 1m o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi se x p e c t e dt o s u p p o r ta w i d er a n g eo fs e r v i c e st h a tw i l lr e q u i r eh i g ht r a n s m i s s i o nd a t ar a t ea n dh i 咖 s y s t e mc a p a c i t y w i t h i nt h el i m i t e d f r e q u e n c y b a n d w i d t h t oa c h i e v et h i s g o a l ， m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) 一o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x ( o f d m ) s y s t e ma r c h i t e c t u r e i nb 3 gs y s t e mi s p r o p o s e d h o w e v e r , t h e r ew i l l b e s y s t e mp e r f o r m a n c e l o s sd u et ot h ed i f f i c u l i t yo f m i m od e t e c t i o n i no r d e rt od e c r e a s et h ei n f l u e n c eo ft h ei n t e r f e r e n c ea n da c h i e v ep e r f e c ts y s t e m p e r f o r m a n c e ，t u r b or e c e i v e r , w h i c hc o m e sf r o mt h ep r i n c i f l l e o ft u r b od e c o d e r , i s u n d o u t e d l yh i g h l i g h t e di nt h es t u d y o fb 3 g s y s t e mf o rt h e r e a s o nt h a ti tc a l li m p r o v e s y s t e mp e r f o r m a n c eal o tb yi t e r a t i v e l ye x c h a n g i n gt h ee x t r i n s i c s o f ti n f o r m a t i o n b e t w e e nd e t e c t o ra n dd e c o d e r t h i st h e s i sm a i l f l yf o c u s e so i 3 t h ed e s i g no ft u r b o r e c e i v e rf o rb 3 gs y s t e m ，m e a n w h i l ep r o v i d e sm e t h o d st od e c r e a s et h ec o m p l e x i t yo f t u r b or e c e i v e r a c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t s ，s y s t e mp e r f o r m a n c ec a n b ei m p r o v e d m o r et h a n4 d bw i t hi t e r a t i v ee x c h a n g eo fe x t r i n s i cs o f ti n f o r m a t i o nb e t w e e ns o f t i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( s i c ) d e t e c t o ra n dl o wd e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d e ( l d p c ) d e c o d e r o f d mi so n eo fb a s i ct e c h n o l o g i e si nt h ed e s i g no fb 3 gs y s t e m h o w e v e r , i t h a s h i g hp e a k t oa v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) t or e s o l v et h ep r o b l e m ，c l i p p i n g n o i s e i t e r a f i v e e s t i m a t i o n a n d c a n c e l l a t i o ns c h e m ei sa p p l i e di nt u r b or e c e i v e rd u et o i t s b e t t e rp e r f o r m a n c ea n d t h es i m i l a ri t e r a t i v es t r u c t u r ea st u r b or e c e i v e r t f u r t h e r m o r e ，t h i st h e s i sa l s oi n t r o d u c e st h ei n t e r f a c es t r u c t u r e o fc l a n g u a g e t e s t p l a t f o r m o fb 3 gs y s t e mi nt h es t a t e “8 6 3 ”f u t u r ep r o j e c t t h e a u t h o rh a s a c c o m p l i s h e dm a n yp r o g r a ma n dd e b u g w o r k si nt h i sp r o j e c t ，e s p e c i a l l ya b o u tt h e f r a m e w o r ko f s y s t e m s w h i c h t r a n s m i s s i o ns p e e d sa r e1 0 0 m b i t sa n d5 0 m b i t s k e yw o r d s ：t u r b or e c e i v e r ；m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ；o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x ；p e a kt oa v e r a g ep o w e r r a t i o ，i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：是毅日期：埘年f 月如 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：走较导师签名 日期：旷年f 月厂日 t u r b o 接收机在b 3 g 系统中的应用 缩略字表 a w g na d d i t i v e l i t eg a u s s i a nn o i s e b 3 g b e y o n d t h et 1 1 i r dg e n e r a t i o n b e rb i te r r o rr a t e b l a s tb e l ll a b s l a y e r e ds p a c e t i m e b pb e l i e f p r o p a g a t i o n c p c y c l i cp r e f i x d i a g o n a l b e l ll a b sl a y e r e ds p a c e db l a s t time d f td i s e r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m f f tf a s tf o u r i e rt r a n s f o i t n h p a h i g h p o w e r a m p l i f i e r i c i i n t e rc a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) f ti n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r i l l m f ti n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r i l l i n t e r n e tm o b i l e m u l t i m e d i a i m t t e l e c o m m t m i c a t i o n i s ii n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n u u n i o n i d p cl o w d e n s i t yp a i l t yc h e c k c o d e m i 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 m lm a x i m u ml i k e l i h o o d 加性高斯白噪声 后三代移动通信 比特误码率 贝尔实验室分层空时结构 置信传播 循环前缀 对角贝尔实验室分层空 时码 离散傅立叶变换 快速傅立叶变换 高功率放大器 载波间干扰 离散傅立叶逆变换 快速傅立叶逆变换 互联网移动多媒体通信 符号间干扰 国际电信联盟 低密度极性校验码 多输入多输出 最大似然 电子科技大学硕士学位论文 m m s e m q h m o f d m p a p r s i c s n r s t b c s t t c t d d vb l a s t m a x i m u mm e a n s q u a r e e r r o r 最小均方误差 m q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o nm 阶正交调制 o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o s o f ti n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n s i g n a lt on o i s e r a t i o s p a c e t i m eb l o c kc o d e s p a c e t i m et r e l l i sc o d e t i m ed i v i s i o n d u p l e x v e r t i c a lb e l ll a b sl a y e r e d s p a c e t i m e z e r o f o r c i n g ， 正交频分复用 峰平比 软干扰抵消 信号噪声比 空时块码 空时格码 时分双工 垂直一贝尔实验室分层空 时码 迫零 t u r b o 接收机在b 3 g 系统中的应用 符号表 发射天线数 接收天线数 发射天线发送的信号矢量 接收天线收到的信号矢量 信道矩阵 零均值高斯白噪声矢量 高斯白噪声方差 调制阶数 信道容量 o f d m 符号子载波的个数 o f d m 符号的宽度 求数学期望 求方差 比特似然信息 求概率 检测模块接收到的信号矢量 发射端调制后的信号矢量 检测模块内部迭代次数 校验矩阵 码长 校验矩阵的列权 x r 月，y 小、 m 一 坞帆； 尹 一日 厅 矿 m g 丁 讣 哪 讣叫于 贾 s 一风 c ， 电子科技大学硕士学位论文 t h p a v 1 9 【 m i m o 检测概率门限 p a p r 限幅门限 平均功率 求以1 0 为底的对数 x i 第一章引言 第一章引言 现代社会已步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信起着支 撑作用。由于人类社会生活对通信的需求越来越高，世界各国都在致力于现代 通信技术的研究与开发以及现代通信网的建设。 移动通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分。现代移动通信是一门复 杂的高新技术，不但集中了无线通信和有线通信的最新技术成就，而且集中了 网络技术和计算机技术的许多成果。目前，移动通信已从模拟通信发展到了数 字通信阶段，并且正朝着个人通信这一更高阶段发展。未来移动通信的目标是： 任何人能在任何时间、任何地点、与任何一个人，实现任何一种媒体的通信。 在我国，移动通信是我国最具发展活力的产业之一。1 9 8 7 年至2 0 0 0 年的 1 0 余年间，我国移动通信用户总数以年均1 0 0 增长速率迅猛发展，目前已拥有 约2 亿用户，年产值约为2 0 0 0 亿人民币，其规模已超过美国，成为世界上规模 最大的电信市场。据有关部门预测，2 0 0 5 年我国移动通信用户数将超过3 亿， 普及率将由现在的9 增加至2 0 ，移动通信业务也将逐渐过渡到话音业务与移 动多媒体数据业务并驾齐驱。与世界上移动通信普及率较高的发达国家相比， 我国移动通信的发展潜力巨大【l j 。 据专家预测移动电话和i n t e m e t 服务发展将使移动多媒体服务到2 0 1 0 年 在发达国家占6 0 的份额【1 。这种趋势迫使人们考虑新一代的系统，它能在所 有的环境和各种移动状态中提供无线多媒体服务，满足用户质量的要求。 本章首先简述了论文工作的研究背景，回顾了移动通信系统研究的发展历 程和t u r b o 接收机的研究现状，然后阐述了论文工作的课题来源，研究的基本问 题和主要目标，最后，概述了论文结构和内容安排。 1 1 研究背景 1 1 。l 移动通信发展史 移动通信的高速发展是建立在市场需求和技术推动的基础上的。在过去的 电子科技大学硕士学位论文 2 0 年里，移动通信经历了从第一代模拟通信、第二代数字通信到第三代宽带多 媒体通信的3 个阶段。第一代蜂窝移动通信系统，是低容量的模拟系统如a m p s ( 先进移动电话系统) 、t a c s ( 全接入通信系统) ，其频谱利用率低、保密性差。九 十年代初出现的，被称为第二代移动通信技术的数字移动通信系统如g s m ( 全球 移动通信系统) 、c d m a ( i s 9 5 ) 、p d c ( 个人数字蜂窝系统) 、d a m p s ( i s 5 4 ) 等， 不仅提高了频谱利用率，增加了系统容量，而且具有较高的保密性，能够提供 语言、数据等多种业务。第二代移动通信技术的出现，推动了移动通信系统的 广泛应用，使移动通信得到了极大的发展，从而对无线通信领域和社会生活产 生了深刻的影响【2 3 】。 随着社会的进步，社会对移动通信需求的增长，人们对移动通信提出了更 高的要求，希望移动通信有更大的容量，以满足高速增长的用户需求；希望移 动通信能传输话音、高速数据、图像，以满足用户多媒体信息传输的需要：希 望移动通信实现各种方式的综合( 如蜂窝、无绳、寻呼、移动卫星、无线用户环 等) ，以满足移动通信多层次的需求；希望移动通信能实现统一的标准，以实现 真正的全球漫游。显然，第二代移动通信已难以满足上述需求第三代移动通信 的出现成为了历史的必然。第三代移动通信系统的关键技术包括：同步技术、 r a k e 多径分集接收技术、高效信道编码技术、智能天线技术、多用户检测技术 和功率控制技术等【2 j 。 1 1 2 未来移动通信技术发展趋势 尽管为高速业务和多媒体业务设计的第三代移动通信系统在通信的容量与 质量上较第二代移动通信有明显提高，但由于其核心技术未能发生革命性的变 革，因此无法解决在有限的无线频率资源上提供广泛覆盖且速率达到l o o m b i t s 以上的宽带乃至广带移动多媒体业务的突出矛盾。经历了1 0 余年发展演进的蜂 窝通信技术已经取得全新突破，采用全新的网络结构以及全新的无线传输理论 与技术解决上述矛盾已成为可能。目前，世界各国在推动第三代移动通信系统 产业化的同时，已把研究重点转入后三代移动通信技术的先期研究上，力争在 概念和技术上寻求创新和突破，从而使无线通信的频谱效率、容量和速率有十 倍甚至百倍的提高【l j 。 在i t u ( n 际电信联盟) 有关b e y o n di m t - 2 0 0 0 ( 后三代或称4 g ) 的概念与需求 第一章引言 的研究已于1 9 9 9 年被首次列入议事日程，2 0 0 1 年1 0 月在东京进行的i t u r w p 8 f 会议上，已收到较多有关b e y o n di m t - 2 0 0 0 的研究提案，并初步明确了 b e y o n di m t - 2 0 0 0 研究的基本框架。b e y o n di m t - 2 0 0 0 是指广泛用于各种电信环 境的无线系统的总和，包括蜂窝、固定无线接入、游牧接入系统等。b e y o n d i m t - 2 0 0 0 的能力将涵盖并远远超过i m t - 2 0 0 0 系统以及与其进行互连的无线系 统的能力，包括目前的i m t - 2 0 0 0 、无线接入、数字广播等系统，并将新增两个 部分，即支持1 0 0 m b i t s 的蜂窝系统和支持高达几百兆比特级以上速率的游牧， 本地无线接入系统等，后三代蜂窝通信系统将是未来研究的核心所在。根据1 t u 的研究计划，后三代移动通信的目标及远景在2 0 0 2 年6 月初步制订完成，在 2 0 0 5 2 0 0 6 年进行频谱规划，2 0 1 0 年左右完成全球统一的标准化工作，2 0 1 2 年 之后商用。 从技术的角度来说，未来b 3 g 移动通信系统应与i m t - 2 0 0 0 以及目前制定之 中的增强型3 g 标准有本质性的区别，其核心网络可以平滑地渐进发展，但空中 接口应当是革命性的【1 ： 1 ) 数据业务将由从属地位上升为主导地位，其比例将从目前总流量的 1 0 2 0 上升至总流量的8 0 以上，分组数据业务将占据主要成分，话音业 务的比例将逐渐降低。 2 ) 未来移动通信系统的峰值传输速率将提高1 2 个量级，在传统的2 g h z 以上的蜂窝移动通信频段上无法满足这一要求，因而需要开发频率更高的无线 资源。 3 ) 为在有限的频段上为用户提供更高的传输速率，需要采用全新的技术， 使整个系统的频谱利用率较现有的技术提高一个量级以上。信息论的研究结果 表明，采用多输入多输出的多天线技术可以使蜂窝通信的系统容量不加限制地 提高，这为未来移动通信的技术发展指明了方向。 4 ) i p 地址的个人化是未来移动通信的主要发展趋势之一。现有的i p v 4 的 地址空间是极为有限的，无法满足此要求，采用基于i p v 6 的i n t e m e t 作为核心 网络平台将是解决此问题的一个有效方案。 5 ) 未来移动通信的峰值速率将达到l o o m b i t s 以上，但实际用户所需要的 传输速率可能会在1 0 k b i t s 1 0 0 m b i t s 动态地变化。为满足这一需求，未来移 电子科技大学硕士学位论文 动通信的无线资源管理调配方式必须极为灵活，能够高效地适应这变化。 总之，新一代移动通信( b 3 g 4 g ) 可以提供的数据传输速率将高达 1 0 0 m b i t s ，甚至更高，支持的业务从语音到多媒体业务，包括实时的流媒体业 务。数据传输速率可以根据这些业务所需的速率不同动态调整。新一代移动通 信的另一个特点是低成本，这样在有限的频谱资源上实现高速率和大容量，需 要频谱效率极高的技术。基于以上需求，将m i m o 技术和o f d m 技术二者结合 起来将成为新一代移动通信核心技术的解决方案。因此在b 3 g 系统的设计中， 往往采用m i m o 。o f d m 系统架构，这就对m i m o 检测提出了更高的要求，通常 由于设计上的困难会给系统带来一定的性能损失，因此在接收机中需要通过 t u r b o 迭代技术来减小干扰的影响，提高系统性能。 1 1 3t u r b o 接收机简介 从1 9 9 3 年c b e r r o u 等人提出t u r b o 码的概念以来，t a r b o 码就以其接近 s h a n n o n 限的差错控制性能受到人们的普遍关注【4 】。然而，t u r b o 码真正突破性 的发现在于其基于s i s o 分量码译码算法的迭代译码方法。t u r b o 码的迭代译码 结构和对译码软输出信息的利用能力，使得它能够与其它技术相结合，显著改 善系统性能。在传统接收机中，各子系统相互独立工作，前一级子系统完成处 理后把输出硬判决传递给下一级子系统，这种方式存在着信息量的损失，另外 处于前面的子系统也不能共享后面子系统的信息，通过t u r b o 机制可以解决这个 问题。在t u r b o 接收机的处理中，各子系统都必须基于软输入软输出算法实现， 每一级子系统的软输出信息传递给下一级子系统作为先验信息，后一级子系统 的软输出再反馈到第一级子系统进行下一次迭代。这样，t u r b o 过程可以根据需 要很灵活地将包括符号检测( 解调解扩) 、信道译码和均衡等多个子系统相互连接 形成迭代关系。迭代的译码与检测是当前移动通信研究的热点。 1 1 3 1t u r b o 码的编译码简介 t u r b o 码之所以能够取得如此优异的性能，主要得益于其独特的编译码结 构：两个或者多个成员码通过交织器并行级联，从而可以由简单的短码构造出 长的随机码，接近s h a n n o n 信道编码的随机性假设【4 。图1 - 1 是典型的t u r b o 码 编码器框图，其由两个系统卷积码编码器通过一个随机交织器并行级联而成， d 第一章引言 编码后的校验位经过打孔产生不同码率的码字。 叫习 复 a 口 只器ii 籍l 器 厂_ j 吾i ：磊i 篆1 图i - i 并行级联t u r b o 码编码器框图 t u r b o 码使用软输入软输出的译码算法，充分利用解调器的软输出信息，并 采用类似于涡轮发动机的迭代译码结构，通过简单成员译码器译码输出信息的 重复利用实现近似最优的序列译码，降低了译码实现的复杂性 4 】。t u r b o 译码器 包含两个独立的子译码器d e c l 和d e c 2 ，根据它们连接方式的不同，有并行译 码和串行译码之分，如图1 2 和图1 3 所示。子译码器均采用软输入、软输出的 迭代译码算法。每次迭代有三路输入信息，分别是：信息码、校验码和外信息， 外信息是本征信息之外的附加信息。子译码器的软输出不仅包含了本次译码对 接收码字的硬估值，而且给出了这些估值的可信程度。软输出用似然比来表示。 图1 2t u r b o 码并行级联译码器框图 电子科技大学硕士学位论文 图1 - 3t u r b o 码串行级联译码器框图 1 1 3 2t u r b o 接收机原理 传统的检测器和信道译码器是相互独立的，t u r b o 迭代可以把检测和译码很 好地结合起来。它使用了“t u r b o 码译码原理”，即将译码器输出的软信息反馈给 检测器，并通过多次迭代，在检测器和译码器之间充分进行信息交换来获得性 能的提高 5 6 】。 图l - 4t u r b o 迭代原理框图 在图1 - 4 中，设信源信息经过编码、符号映射和交织后为s ，信道响应为h ， 经过信道后引入的噪声为n ，则接收天线接收到的符号r 为： ，= h s + n ( 1 - 1 ) 检测模块处理完接收符号，后，输出后验信息上( 吒) ，送给解交织模块的外信息 为： 第一章引言 l ( 色) = 三( 五) 一三( c 七) 三( 龟) 经过解交织后成为三( 反) ，三( 反) 作为先验信息送给译码模块 后验信息三( 瓦) ，送给交织模块的外信息为： ( 1 2 ) 译码后成为 工( 以) = 上( 瓯) 一工( )( i - 3 ) 工( 魄) 经过交织后成为三( q ) 再反馈到检测器中，如此迭代多次。其中在迭代初始 化时，将以等概的形式将工( q ) 送给检测模块。 1 2 课题来源及本文主要工作 1 2 1 课题来源 t d d 方式下o f d m 下行链路设计与实现是电子科技大学通信抗干扰技术国 防重点实验室承担的国家“8 6 3 ”项目。 国家“8 6 3 ”未来移动与无线通信发展的f u t u r e 计划于2 0 0 2 年制定并启 动，其目的是在后三代移动通信发展初期即着手开展相关的研究与开发，与国 际上同步发展，获取具有自主知识产权的核心技术专利，为我国未来提出后三 代或第四代移动通信标准奠定基础。在国家“8 6 3 ”f u t u r e 计划第二阶段中， 电子科技大学负责t d d 方式下o f d m 下行链路设计与实现。 1 2 2 本文主要工作 本文主要完成了以下工作： 1 ) 将t u r b o 迭代的思想应用到b 3 g 系统接收机中，完成了m i m o o f d m 系统中t u r b o 接收机的设计和性能仿真； 2 ) t u r b o 接收机具有较高的复杂度，本文提出了几种降低t u r b o 接收机复 杂度的算法，并通过仿真验证了算法性能； 3 ) 为解决b 3 9 系统中o f d m 引起的峰值平均功率比较高的问题，将限幅 噪声循环估计对消算法应用到t u r b o 接收机中，并通过仿真验证了算法性能； 4 ) 完成了国家“8 6 3 ”f u t u r e 计划第二阶段c 语言第三方测试平台接口 电子科技大学硕士学位论文 程序及发射机、接收机调度程序的编写和联调的部分工作，尤其是在传输速率 为1 0 0 m b i t s 和5 0 m b i t s 链路的程序编写及调试上做了大量工作。 1 3 论文结构及内容安排 第一章简述了论文工作的研究背景，回顾了移动通信系统研究的发展历程 和t u r b o 接收机的研究现状，阐述了本论文的课题来源、主要工作及论文结构。 第二章介绍了m i m o 技术和o f d m 技术，以及两者的结合，并详细描述了 m i m o - o f d m 系统的结构和信号模型。 第三章详细描述了m i m o o p d m 系统中t u r b o 接收机设计、复杂度降低的 实现思路及其仿真结果。 第四章介绍了峰值平均功率比的定义及常见的控制技术，并详细描述了限 幅噪声循环估计对消算法在t u r b o 接收机中的应用，及其仿真性能。 第五章介绍了b 3 g 二期c 语言测试平台的接口，并详细阐述了传输速率为 1 0 0 m b i t s 和5 0 m b i t s 链路的接口和处理程序流程。 最后是本文结论及未来研究方向。 8 。 第二章m i m o o f d m 系统模型 第二章m i m o o f d m 系统模型 m i m o 技术充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，是具有极高 频谱利用率的技术。另外在各类无线通信系统中，i s i 一直是影响通信质量的重 要因素。o f d m 技术能够有效对抗i s i ，同时具有频谱利用率高，抗多径衰落性 能好，成本偏低等优点，因此将这两项技术结合起来必将成为新一代移动通信 系统的核心技术之一。本章主要介绍了m i m o 技术和o f d m 技术，以及两者的 结合，并详细描述了m i m o o f d m 系统的结构和信号模型。 2 1m i m o 技术简介 m i m o 技术是第三代和未来移动通信与个人通信系统实现高数据速率，提 高传输质量的重要途径。该技术最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出，它利用多天 线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的s i s o ( s i n g l e i n p u t s i n g l e o u t p u t ) 系统，m i m o 还可以包括s i m o ( s i n g l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ) 系统 和m i s o ( m u l f i p l e i n p u t s i n g l e 0 u t p u t ) 系统 7 1 。 2 1 1m i m o 技术原理 m i m o 技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，目前针对 m i m o 信道所进行的研究也主要围绕这两个方面。空间复用技术可以大大提高 信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率【7 】d 1 ) 空间复用技术 空间复用就是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传播中的多 径分量，在同一频带上使用多个数据通道( i v i i m o 子信道) 发射信号，从而使得容 量随着天线数量的增加而线性增加。这种信道容量的增加不需要占用额外的带 宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是提高信道和系统容量一种非常有效 的手段。 空间复用的实现如图2 1 i7 】所示，首先将需要传送的信号经过串并转换转换 成几个平行的信号流，并且在同一频带上使用各自的天线同时传送，由于多径 电子科技大学硕士学位论文 传播，每一副发射天线针对接收端产生一个不同的空间信号，接收方利用信号 不同来区分各自的数据流。实现空间复用必须要求发射和接收天线之间的间距 大于相关距离，这样才能保证收发端各个子信道是独立衰落的不相关信道。 图2 - 1 空间复用原理框图 假定发射端有屿根发射天线，接收端有m 。根接收天线，则在收发天线之 间形成m 。m r 信道矩阵詹，霸的元素是任意一对收发天线之间的增益，在某 l 圻l 一时刻f ，信道矩阵为：豆= i l 。 i 。t 坼i 对于信道矩阵参数确定的m i m o 信道，假设发射端总的发送功率为p ，与 发射天线的数量埘，无关；接收端的噪声用m 。x 1 矢量j i 表示，它的元素是静态 独立零均值高斯复数变量，各个接收天线的噪声功率均为盯2 ；发送功率平均分 配到每一个发射天线上，则容量公式为嗍： c 一- d e t 卜毒藤8 卜肛 p ， 固定鸠，令坼增大，使得壶翮”斗厶，这时可以得到容量的近似表达式： c = m r l 0 9 2 ( 1 + p ) b i t s h z( 2 - 2 ) 从上式可以看出，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 1 0 第二章m i m o ，o f d m 系统模型 功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。 利用m i m o 技术不但可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性， 降低误码率。前者是利用m i m o 信道提供的空间复用增益，后者是利用m i m o 信道提供的空间分集增益。实现空间复用的接收端的解码算法有迫零算法( z f ) 、 撮小均方误差算法( m m s e ) 、垂直- 贝尔实验室分层空时码( v 算法和最_blast) 大似然算法( m l ) 一z f 算法是一种线性接收方法，可以很好地分离同频信号，简 单容易实现，但是需要有较高的信噪比才能保持较好的性能。m m s e 算法可以 使由于噪声和同频信号相互干扰造成的错误最小，尽管它降低了信号分离的质 量，但具有较好的抗噪性能。m l 算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大， 对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。性能和复杂度最优的就是 b l a s t 算法，该算法实际上是使用z f 算法加上干扰删除技术得出的。 2 ) 发送分集和接收分集 空间分集技术可以分为接收分集和发射分集两类，通常可以认为s i m o 系 统是接收分集，m i s o 系统是发射分集。无线信号在复杂的无线信道中传播产生 r a y l e i g h 衰落，在不同空间位置上其衰落特性不同。如果两个位置间距大于天线 之间的相关距离( 通常相隔十个信号波长以上) ，就认为两处的信号完全不相关， 这样就可以实现信号空间分集接收。空间分集一般用两副或者多副大于相关距 离的天线同时接收信号，然后在基带处理中将多路信号合并。在s i m o 系统中 的接收分集技术可以分成最大比率合并( m r c ) 、等增益合并( e g c ) 和选择分集合 并( s d c ) 一- - - 种类型。在最大比率合并的接收中，每- - n 天线的输出用一个复数加 权，然后相加；等增益合并接收使各副天线的输出信号保持同相，然后相加； 选择分集合并接收中，简单地选择众多信号中的一个质量最好的天线的信号， 并使用该信号作为接收到的信号。曲于最大比率合并之后信号的信噪比等于合 并之前各支路的信噪比之和，因此是最佳的合并方式。 发射分集就是将分集的负担从终端转移到基站端，然而采用发射分集的主 要问题是在发射端不知道衰落信道的信道状态信息( c s i ) 。因此，必须采用信道 编码以保证各信道具有良好的性能，具体是采用空时编码。1 9 9 8 年，a t & t 实 验室的t a r o k h 等人在发射延迟分集的基础上正式提出了基于发射分集的空时码 ( s t c ) 的概念。空时码是信道编码设计和多发射天线的结合，其主要思想是利用 电子科技大学硕士学位论文 空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。 空时码在将数据串并转换成”个数据流，每一路数据流经脉冲形成、调制，然后 通过n 个天线同时发送到无线空间，建立了空间分离信号( 空域) 和时间分离信号 f 时域) 之间的关系。在接收端，可以用单一天线，也可以用多个天线进行接收， 每一个接收天线接收到的是n 个发送信号与干扰喋声线性的叠加( 衰落系数为权 重) ，然后通过最大似然检测等方法，正确地识别出发送信号。空时译码算法和 信道估计技术结合以获得分集增益和编码增益。按照编码方式不同，空时码可 以分为空时格码( s t t c ) 和空时块码( s t b o 。 2 1 2v _ b l a s t 技术简介 为了能充分利用m i m o 信道的容量，f o s c h i n i 等人提出了贝尔实验室分层 空时结构( b l a s t ) ，它将信源数据分成几个子数据流，独立进行编码调制，不 基于发射分集。b l a s t 是一种可以实现空间复用增益的算法，利用信道的空间 特性来提高频谱效率，要求使用多个天线来精确地取样这些空间特性 9 1 。b l a s t 按照发射端分路的不同方式分为对角贝尔实验室分层空时码( db l a s t ) 和垂直 坝尔实验室分层空时码f vb l a s t ) 。 1 9 9 6 年f o s c h i n i 提出db l a s t 算法，该算法采用对角分层编码及相应的 解码处理，其码字结构如图2 _ 2 1 1 0 】所示。算法的复杂度较高，可处理的数据长度 较短，而且边界的对角空时处理导致效率不高。 雯上 t i m e - - - - - - - - - - - - - - - - - ss品s最 岛墨岛瓦s 1 _ s d墨墨s o 图2 - 2d _ b l a s t 码字结构 1 9 9 8 年由f o s c h i n i 和g g o l d e n 提出v _ b l a s t 算法，该算法采用逐步检测 1 2 第二章m i m o 。o f d m 系统模型 相消法实现子流的区分和检测，即先检测一个子流，然后将此子流从接收信号 中消去，再从消去了该子流的新接收信号中检测下一个子流，依此类推。子流 的检测可采用最小均方误差( m m s e ) 准则或迫零( z d 准则。vb l a s t 算法采用 的这种串行干扰抵消方式消除多天线之间的干扰，较简单、实用性较强，因此 是算法复杂度和译码性能综合考虑下一种最优的译码算法。vb l a s t 码字结构 如图2 - 3 【1 0 1 所示： t i m e 最最蜀岛r& s墨ss s l s 最最&是 足岛 2 2o f d m 技术简介 图2 3vb l a s t 码字结构 上个世纪中期，人们提出了频带混叠的多载波通信方案，选择相互之间正 交的载波频率作子载波，也就是我们所说的o f d m 。o f d m 是一种特殊的多载 波通信方案，单个用户的信息流被串并变换为多个低速率码流，每个码流都用 一个子载波发送，子载波静分隔不是通过带通滤波器，而是通过快速傅立叶变 换来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。 随着d s p 芯片技术的发展，人们开始集中越来越多的精力开发o f d m 技术 在移动透信领域的应用，随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化需 求的增强，o f d m 技术在综合无线接入领域将会得到越来越广泛的应用。 2 2 1o f d m 技术原理 o f d m 是一种特殊的多载波传输方案，它可以看作一种调制技术，也可以 被当作一种复用技术。选择0 f d m 的一个主要原因是在于该系统能够很好地对 - 1 3 - ， g葛 电子科技大学硕士学位论文 抗频率选择性衰落或干扰。其主要思想是：将信道分成许多正交子信道，在每 个子信道上进行窄带调制和传输。 一个o f d m 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子 载波都可以受到多进制相移键控( m p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 符号的调制。 如果n 表示子载波的个数，r 表示o f d m 符号的宽度，z ( i = o 1 ，n 一1 ) 是分 配给每个子信道的数据符号，z 表示第0 个子载波的载波频率，r e c t ( t ) = i ， l t i t 2 ，则从t = f ，开始采用复等效基带信号来描述的o f d m 输出信号为”】：