（通信与信息系统专业论文）lte系统传输信道编码中turbo码的研究与实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 几十年来，无线通信技术的快速发展为人类社会进步做出了重大的贡献，它 已经成为了人们生活中不可缺少的组成部分。随着无线移动用户的增加，对无线 通信技术的要求也越来越高。为了满足市场的需求，3 g p p 经过仔细的讨论研究， 启动了通用无线移动通信技术的长期演进( l o n gt e r me v o l u t i ，l t e ) 项目。l t e 作为一项3 g 到4 g 系统的过渡技术，在未来一段时间里将会是通信界内研究的热 点。纠错编码技术是通信系统的重要组成部分，是保证信息传输有效性和可靠性 的关键技术之一人们基于s h a n n o n 有噪信道编码理论，经过长期的研究，提出 了很多纠错编码方案。t u r b o 码作为一种信道编码技术，具有接近s h a n n o n 极限的 性能，广泛地应用于各种通信系统。 本文首先介绍了t d l t e 关键技术和物理层结构，然后分析了传统t u r b o 码的 组成结构和译码算法等。在对l t e 物理层传输信道处理流程的分析过程中，重点 研究了l t et u r b o 码。l t et u r b o 编码器采用了递归系统卷积码的形式，交织器使 用二次多项式置换q p p 交织器，而常规的打孔删余和复用级联的功能由专门针对 t u r b o 码的速率匹配来完成。进行t u r b o 编码的数据块大小最大为6 1 4 4 b i t ，最小为 4 0 b i t ，一共有1 8 8 种配置。利用m a t l a b 软件搭建了l t et u r b o 编译码仿真链路， 根据仿真结果讨论分析了不同因素对误码率性能的影响 基于1 r i 公司t m s 3 2 0 c 6 4 5 5d s p 芯片和集成化开发环境c c s 平台，对l t e t u r b o 编码及交织计算进行了编程实现根据项目需求分析综合考虑，本文提出了 一些简化实现方法编码和交织计算处理可以采用查表的方法，花费一定的内存 空间来换取程序执行速度的提高。交织处理还可以利用公式递推计算，降低了程 序复杂度和运行时间最后经过调试、优化，结合所选芯片的特点，综合分析了 程序执行速度、复杂度和内存空间占用等硬件资源方面的耗费。采用的简化实现 方案完全能够满足项目上的需求 关键词：l t e ，信道编码，t u r b o 码，交织器 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t f o rd e c a d e s , t h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ym a k e i m p o r t a n tc o n t r i b u t i o nf o rt h ea d v a n c e m e n to fh u m a ns o c i e t y , i t h a sb e c o m e8 1 1 i n d i s p e n s a b l ep a r to fp e o p l e sl i f e w i t ht h ew i r e l e s sm o b i l eu s e 培i n c r e a s e d , t h e r ea 传 h i g h e ra n dh i g h e rr e q u e s t sf o rt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i no r d e r t om e e t t h er e q u i r e m e n t so ft h em a r k e t , 3 g p pb e g a nt od e v e l o pu 哐( l o n gt e r me v o l u t i o n ) p r o j e c to fu 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 mt e c h n o l o g y l t ei sa t r a n s i t i o n t e c h n o l o g yf r o m3 gt o4 gi tw i l lb et h er e s e a r c hh o t s p o ti nt h ec o m m u n i c a t i o nf i e l di n t h ef u t u r e e r r o rc o r r e c t i o nc o o i n gt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tp a r to fc o m m u n i c a t i o n s y s t e m , i t so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g yt og u a r a n t e et h ea v a i l a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n b a s e do ns h a n n o nn o i s yc h a n n e lc o d et h e o r y , p e o p l eb r o u g h t f o r w a r dm a n ye r r o rc o r r e c t i o nc o d es c h e m e sw i t hl o n g - t e r mr e s e a r c h t u r b oc o d e ，a sa c h a n n e lc o d et e c h n o l o g y , w i t hn e a r l ys h a n n o nl i m i tp e r f o r m a n c e ，i sw i d e l yu s e di nt h e d i f f e r e n tk i n d so fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ek e yt e c h n o l o g ya n dp h y s i c a ls t r u c t u r eo ft d - l t es y s t e m ，t h e na n a l y z e st h ec o m p o s i t i o na n dd e c o d i n ga l g o r i t h mo ft r a d i t i o n a lt u r b o c o d e w h e nm a k ea l la n a l y s i so nl t ep h y s i c a lt r a n s m i s s i o nc h a n n e lp r o c e s s , r e s e a r c h t h e 腿t u r b oc o d e l 陋t u r b oe n e o d e ru t h er e c u r s i v es y s t e m a t i cc o n v o l u t i o nc o d e , q p p ( q u a d r a t i cp e r m u t a t i o np o l y n o m i a l s ) i n t e r l e a v c r , a n dt h er a t em a t c h i n gf o rt u r b o c o d ei su s e df o rs e q u e n c ec o l l e c t i o n , b i ts e l e c t i o na n dp r u n i i l g 1 f 1 地m a x i m a ls i z eo f t u r b oc o d ei n p u tb l o c ki s6 1 4 4b i t , a n dt h em i n i m a li s4 0b i t , t h e r ea 托18 8 c o n f i g u r a t i o n s b u i l tt h el t et u r b oe t l o o d ea n d d e c o d es i m u l a t i o nl i n ki nt h em 觚a b s o f t w a r e , d i s c u s s e da n da n a l y z e dt h el 薯l o rr a t ep e r f o r m a n c ew i t hd i f f e r e n t f a c t o r s a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s b a s e do nt i m s 3 2 0 c 6 4 5 5d s pc h i pa n di m e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t c c sp l a t f o r m , p r e s e n t e dt h ep r o g r a mi m p l e m e n tm e t h o da b o u te n c o d i n ga n di n t e r l e a v e r c o n s i d e r e dt h er e q u i r e m e n ta n a l y s i so ft h i sp r o j e c t , s i m p l i f yt h ei m p l e m e n tm e t h o d u s et h et a b l e - l o o k u pm e t h o dt op e r f o r mt h ee n c o d i n ga n di n t e r l e a v c rc o m p u t i n e i t t a k e st h em e m o r ys p a c et oi m p r o v et h ep r o g r a me x e c u t i o n 印a 吐i n t c r l c a v e ra l s oc 锄 b ep e r f o r m e db yr e c u r s i o nc a l c u l a t e , i tr e d u c e st h ep r o g r a mc o m p l e x i t ya n dr u n n i n g t i m e f i n a l l ya f t e rd e b u g g i n ga n do p o m i z 撕o , c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e d s pc h i p ，c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i st h ec o s to fh a r d w a r er e s o 喇a b o u tp r o g r a m 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t e x e c u t i o ns p e e d , c o d ec o m p l e x i t ya n dm e m o r ys p a c ee t c ，i t c a n r e q u i r e m e n to f t h ep r o j e c tw i t h t h i ss i m p l i f i e di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d k e yw o r d s ：l t e ，c h a n n e le n c o d i n g t u r b oc o d e ，i n t c r l e a v e r m 重庆邮电大学硕士论文缩略表 缩略语 3 g 3 g p p 4 g 1 6 q a m 6 4 q a m k n g 犍 b c b c h b e r b f b p s k b 、v a c a p e x c d m a c f c f i c p c q i c r c d c i d n d l d i 广s c h d s p d w p t s e 3 g b u n a n f d d f d m 缩略表 英文名称 3 坩g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n 3 耐g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t 4 mg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n 16q 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 n 6 4q 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 n a d d i t i v em l i t eg a u s s i a nn o i s e b l o c kc o d e b r o a d c a s tc h a n n e l b i te r r o rr a t i o b e a m f o r m i n g b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s c a p i t a le x p e n s e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o n t e n t i o nf r e e c o n t r o lf o r m a ti n d i c a t o r c y c l i cp r e f i x c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t i o n c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k d o w n l i n kc o n t r o li n f o r m a t i o n d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d o w nl i n k d o w nl i n ks h a r ec h a n n e l d i g i t a ls i g n a lt m 3 c e s s o r d o w u l i n kp i l o tt h n es l o t e v o l v e d3 g e v o l v e du n i v e r s s lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s n e t w o r k f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f r e q u e n c y - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g v i 汉语名称 第三代移动通信 第三代合作项目 第四代移动通信 1 6 位正交幅度调制 “位正交幅度调制 加性高斯白噪声 分组码 广播信道 误码率 波束成形 二相相移键控 宽带无线接入技术 资本支出 码分多址 无竞争 控制格式指示 循环前缀 信道质量指示 循环冗余校验 下行控制信息 离散傅里叶变换 下行链路 下行共享信道 数字信号处理器 下行导频时隙 演进型3 g 演进型公共陆地无线接 入网 频分双工 频分复用 重庆邮电大学硕士论文 缩略表 f d m a f e c f f r f p g a g p h a r q m i c i i c i i d f r i f f t 蹦s i s i l d p c l t e m 匕忙 d 心 m b m s m c h m i m o n s c o f d m o f d m a o p e x 眦r p b c h p c c c p c f i c h p c h p d c c h p d s c h p h i c h p m c h f 嗍u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f o r w a r de r r o rc o n t r o l f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m f i e l dp r o g r a m m a b l ec r a t ea r r a y g u a r dp e r i o d h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t h a r qi n d i c a t o r i n t e r - c a r t i e ri n t e r f e r e n c e i n t e r c o d ei n t e r f e r e n c e i 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 m i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c k l o n gt e r me v o l u t i o n m e d i aa c c e s sc o n t r o l m a x i m u map o s t e r i o r i m u l t i m e d i ab r o a d c a s tm u l t i c a s ts e r v i c e m u l t i e a s tc h a n n e l m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t n o ns y s t e m a t i cc o n v o l u t i o n a l o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 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 a c c e s s o p e r a t i o ne x p e n d i t u r e p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o p h y s i c a lb r o a d c a s tc h a n n e l p a r a l l e lc o n c a t e n a t e dc o n v o l u t i o n a lc o d e p h y s i c a lc o n t r o lf o r m a ti n d i c a t o rc h a n n d p a g i n gc h a n n e l p h y s i c a ld o w n f i n kc o n l r o lc h a n n e l p h y s i c a ld o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l p h y s i c a lh y b r i da r qi n d i c a t o rc h a n n e l p h y s i c a lm u l t i c a s tc h a n n e l v 频分多址 前向差错控制 快速傅里叶变换 现场可编程门阵列 保护时隙 混合自动重传请求 h a r q 指示 载波间干扰 码间干扰 反离散傅里叶变换 反快速傅里叶变换 i p 多媒体子系统 符号间干扰 低密度奇偶校验( 码) 长期演进 媒体接入控制 最大后验概率 多媒体广播多播业务 多播信道 多输入多输出 非系统卷积码 正交频分复用 正交频分多址 运营支出 峰均功率比 物理广播信道 并行级联卷积码 物理控制格式指示信道 寻呼信道 物理下行控制信道 物理下行共享信道 物理n a r q 指示信道 物理多播信道 重庆邮电大学硕士论文缩略表 p r a c h p i u c c h p u s c h q a m q p p q p s k r a c h r b r e r i r s c s c o f d m a s i s o s n r s o v a t c m t d d t d s c d m a r n u c i u l u l s c h v l i w v o l p w i m 匕议 p h y s i c a lr a n d o ma c c e s sc h a n n e l p h y s i c a lu p l i n kc o n t r o lc h a n n e l p h y s i c a lu p l i n ks h a r e d c h a n n e l 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 n q u a d r a t i cp e r m u t a t i o np o l y n o m i a l s q u a d r a t u r ep h a s es h i rk e y i n g r a n d o ma c c e s sc h a n n e l r e s o u r c eb l o c k r e s o u r c ee l e m e n t r a n ki n d i c a t o r r e c u r s i v es y s t e m a t i cc o n v o l u t i o n a l s i n g l ec a r r i e rf d m a s o f ti n p u ts o f to u t p u t s i g n a lt on o i s er a t i o s o ro u t p u tv i t e r b ia l g o r i t h m t 托l l i sc o d e dm o d u l a t i o n t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a t r a n s m i s s i o nt 啦ei n t e r v a l u p l i n kc o n t r o li n f o r m a t i o n u p l i n k u p t i n ks h a r e dc h a n n e l 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 s s y s t e m u p l i n kp i l o tt i m es l o t u n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k u m t s v e r yl o n g 【n s 缸倒o nw o r d v o i c eo v e ri p ，0 d di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s v m 物理随机接入信道 物理上行控制信道 物理上行共享信道 正交调幅 二次置换多项式 正交相移键控 随机接入信道 资源块 资源粒子 秩指示 递归系统卷积码 单载波f d m a 软输入软输出 信噪比 软输出v i t e r b i 算法 网格编码调制 时分双工 时分同步码分多址 发送时间间隔 上行控制信息 上行 上行共享信道 通用移动通信系统 上行导频时隙 陆地无线接入网 甚长指令集 口话音 全球微波接入互操作 s 芍 蛆 骼 b 沁 砌 研 低 u u u 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 通信已经成为人类社会的重要组成部分，特别是无线移动通信技术，从2 0 世 纪9 0 年代开始发展异常迅速，从第一代模拟通信系统，到第二代、第三代数字通 信系统，每一代都在应用和技术上有了很大的提高。现在移动通信技术朝着移动 化、宽带化的方向快速发展。 预计到了2 0 1 2 年，全球将会有1 8 亿宽带用户，其中2 3 都是移动宽带用户， 这必然会对移动通信系统提出更多更高的要求，如：更大的系统容量、更高的峰 值速率、更低的传输时延和更高的频谱利用率。当前3 g ( 3 坩g e n e r a t i o n ，第三代) 移动通信系统已经无法满足人们日益增长的需求，与此同时伴随着宽带无线接入 技术( b r o a d b a n dg r 脚e l e s sa c c e s s ，b w a ) 的出现，提供了更高接入速度和宽带移 动化，这更对当前3 g 通信系统提出了高要求和严峻的挑战u j 。根据市场的需求， 第三代合作伙伴计划( 3 坩g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ，3 g p p ) 组织开始了通用 移动通信系统( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i e a t i o n gs y s t e m ，u m t s ) 技术的长期 演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 项目，l t e 作为3 g 与4 g 技术之间的过渡，可 以称为3 9 g 全球标准。 通信系统的研究人员总是希望能够在传输带宽和信息源功率有限、通信设备 成本低、系统复杂度尽可能小的情况下达到尽量准确的信息传送，就是说要使信 息传输的误码率最小信道编码技术是消除、减小信息传输错误概率的有效方法 之一。s h a n n o n 有噪信道编码定理称：在信道传输速率r 没有超过信道容量c 的 前提下，只有在码组长度无限大的码集合中随机地选择编码码字，并在接收端采 用最大似然译码算法时才能使误码率接近为零1 2 】。然而最大似然译码的复杂度随着 编码长度的增加而加大当编码长度趋近于无限大时，最大似然译码是不可能实 现的。t u r b o 码具有接近s h a n n o n 定理极限的性能，特别是在低信噪比下的优异性 能使其应用于许多不同的通信系统中t u r b o 码已经成为了当代移动通信系统高速 率和高质量信道中首选的编码方法t u r b o 码的提出，不但提供了一种性能优越的 编码方法，还帮助人们突破了编码理论研究中遇到的一些瓶颈，其迭代的思想也 为众多通信难题提供了解决方案 本课题对l 1 e 系统传输信道编码中的t u r b o 码进行研究，分析了l t et u r b o 码的编码器、交织器等组成部分，并通过仿真讨论了各种因素对其译码性能的影 响，最后基于d s p 硬件考虑，按照简化的方法对编码和交织计算进行编程实现。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1l 1 m 系统背景知识简介 为了应对全球微波接入互操作( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s , w i m a x ) 技术的市场竞争，也为了融合移动通信与宽带无线接入技术，3 g p p 与 3 g p p 2 相应启动了3 g 技术长期演进l t e 的研究工作。这项受人瞩目的技术也被 称为“演进型3 g 一( e v o l v e d3 坩g e n e r a t i o n ，e 3 g ) ，它改进并且增强了3 g 系统的 空中接入技术，采用正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ， o f d m ) 和多输入多输出( 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 ) 技术作为其无 线网络演进的标准【3 】。l t e 能够提供比以往所有移动通信系统更高的数据传输速 率，它支持各种数据的传输，并且整合了广域网覆盖，提供对移动设备的无缝连 接。跟之前的移动通信系统相比，l t e 系统的频谱利用率有了显著提高，而且设 计了新的无线网络架构来降低成本和简化操作。 l t e 系统着重考虑的方面有：增大系统容量和覆盖范围、提高用户的数据传 输速率、降低时延和运营成本等，其目标主要包括1 4 j ： 支持1 4 m h z 、3 m h z 、5 m h z 、1 0 m h z 、1 5 m h z 、2 0 m h z 带宽； 极大地提高了峰值数据速率( 在2 0 m h z 带宽下支持下行1 0 0 m b p s 、上行 5 0 m b p s 的峰值速率) ； 在保持现有基站位置的条件下提高小区边缘比特速率； 有效提高频谱效率( 3 0 p p 版本6 的2 一- - 4 倍) ； 将接入网时延降低至1 0 m s 以下，并且将控制平面时延控制在l o o m s 以内； 提高1 5 k m h 以下低速率用户的性能，能为1 5 1 2 0 k m h 的移动用户提供高 性能的服务，并可以支持1 2 0 3 5 0 k m h 的用户； 吞吐量、频谱效率和移动性指标在5 k m 半径的小区内将得到充分保证，当 小区半径增大到3 0 k i n 时，只允许对以上指标性能带来轻微的降低： 支持多种载波带宽，以达到配置系统时窄带频谱分配灵活的目的： 支持与现有的3 g 系统和非3 g 系统的协同工作：增强的多媒体广播多播 业务( m u l t i m e d i ab r o a d c a s tm u l t i c a s ts c 而，m b m s ) ；降低资本支出 ( c a p i t a le x p e n d i t u r e ，c a p e x ) 和运营支出( o p e r a t i o ne x p e n d i t u r e ，o p e x ) 的成本； 降低空中接口和网络架构的成本； 实现合理的终端复杂度、成本和耗电量； 支持增强的口多媒体子系统( i vm u l t i m e d i as u b - s y s t e m ，i m s ) 和核心网； 尽可能保证后向兼容，有效地支持多种业务类型，尤其是分组域 s d o m a i n ) 业务( 如v o i p 等) ； 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 系统可以工作在对称和非对称频段；尽量简化处于相邻频带运营商共存的 问题。 1 2 信道编码理论 数字通信系统的基本组成如图1 1 所示，发送端传输的信息经过信道到达接收 端，但是发送端并不能确定数据在接收端是否能够正确的接收和判决。信息经过 存在噪声和衰落的信道后，在接收端必然引起数据信息的失真和信号判决错误， 这时需要使用差错控制技术来解决这个问题。 图1 1 数字通信系统的基本组成 差错控制分为前向差错控制( f o r w a r de r r o rc o n t r o l ，f e c ) 技术和自动请求重 传( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ，a r q ) 技术，本文主要研究前向差错控制技术。前 向差错控制是指接收端根据接收的码字自动检测和纠正信道传输引起的错误，主 要使用的码字包括：分组码、卷积码和级联码等。人们根据信道编码定理，一直 都在努力寻求能够满足通信系统需求、性能优异、结构简单的码字，并且在分组 码、卷积码等编码方法和最大似然译码算法的基础上，提出了很多构造优越码字 和简化译码复杂度的方法【5 j ，例如：级联码、乘积码、低密度校验码( l o wd e n s i t y p a r i t yc o d e ，l d p c ) 等编码方法，以及逐组最佳译码、序列译码、软判决译码等 译码方法 s h a n n o n 定理经历了几十年的发展，经过人们不懈的努力，信道编码技术已经 成为了一种标准技术，它广泛地应用于各种通信系统 s h a n n o n 定理证明了随机码虽然是好码字，但是其译码复杂度较高，所以随机 编码定理一直只是作为分析与证明编码定理的主要方法，而怎样从构造码字上找 到方法却从未引起研究者的重视。 1 9 9 3 年在瑞士日内瓦召开的国际通信会议( i c c 9 3 ) 上，两位来自法国不列 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 颠通信大学的教授c b e r r o l l 、a g l a v i e u x 和他们的缅甸博士生p t h i t i m a j s h i m a 首次 提出了一种新型的信道编码方案t l 咖码，由于它很好地应用了s h a n n o n 信道 编码定理中的随机性编译码条件，从而获得了几乎接近s h a n n o n 定理极限的译码 性能 6 1 t u r b o 码的出现立即成为了科学家们关注的焦点和研究的热点。随着人们 的深入研究，t u r b o 码已被证明具有非常优秀的性能和应用潜力，被认为是自1 9 8 2 年网格编码调制( t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i 强，t c m ) 技术出现以来，信道编码领域 上所取得的最伟大的技术成就。 针对t u r b o 码的研究主要集中在理论分析、性能仿真、硬件实现以及在各个领 域中与t u r b o 码相结合的技术。理论分析方面，人们主要研究了迭代译码原理、迭 代停止条件和分量编码器方案等；性能仿真方面，通过计算机模拟环境，分析了 各种因素对t u r b o 码性能的影响，如不同码块大小、不同交织长度、不同迭代次数 和不同译码算法等；硬件实现方面，研究者们主要从程序执行速度、复杂度、内 存占用等方面考虑，并结合具体使用的硬件器件，选择合适的t u r b o 编译码实现方 案；t u r b o 码迭代译码思想也应用于其他相关领域，如多用户检测、信道估计等。 经过长期的研究，t u r b o 码无论是在编码结构、交织器设计以及译码算法上都 已经较为成熟，并广泛地应用于各种通信系统。3 g 标准w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、 t d s c d m a 在信道编码中都使用了t u r b o 码，只是每个系统采用了不同的t u r b o 编码结构。作为3 g 到4 ( 3 系统的过渡技术，l t e 信道编码中同样使用了t u r b o 码。 在t u r b o 码译码时由于迭代运算和交织解交织计算，使得花费时间增多，译 码延迟增大而l t e 系统具有高速率、高实时性的特点，如何结合硬件资源考虑， 设计出合适的编译码方法满足系统要求是目前研究的热点。对于l t et u r b o 码，人 们也提出了许多编译码实现方案，如文献 7 1 q 口提出了一个2 1 m m 2 的t u r b o 并行译 码芯片，该芯片支持l t e 系统中全部1 8 8 种码块大小配置1 7 1 ；文献【8 】给出了一种 针对3 g p pl t e 系统的高速并行t u r b o 译码方法嘲；文献【2 8 】比较了针对l t et u r b o 码设计的两种交织器方案：q p p 交织器和a r p 交织器。根据不同条件，结合各种 硬件，研究设计高速率、低硬件资源消耗的l t et u r b o 编译码实现方案是目前急需 解决的问题。 1 4 本文的主要工作和安排 本文主要研究方向为l t e 系统物理层传输信道编码中的t u r b o 码。论文首先 研究了传统t u r b o 码编译码器的结构、性能影响因素以及译码算法等，然后研究了 l t e 系统中t u r b o 编码结构、交织器和速率匹配等，再利用m a t l a b 软件对l t e 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 t u r b o 编译码性能进行仿真分析，最后根据项目需求，基于d s p 编程实现t u r b o 编码和交织计算。 一 本文结构安排如下： 第一章，绪论。本章主要介绍了l t e 系统背景知识、信道编码理论和t u r b o 码研究现状 第二章，l t e 系统关键技术及物理层结构。主要详细介绍了l t e 系统关键技 术、物理层结构，以及传输信道编码处理流程，其中l t e 物理层信道编码采用了 t u r b o 码。 第三章，l t e 系统中的t u r b o 码。首先介绍了传统t u r b o 编译码器结构，分析 了各个组成部分对t u r b o 码性能的影响。然后研究了l t e 系统中t u r b o 码的编码 器、交织器以及速率匹配等组成部分。 第四章，t u r b o 译码算法及性能仿真。本章详细介绍了几种常用的t u r b o 译码 算法，利用m a t l a b 软件搭建了l t et u r b o 编译码仿真链路，进行仿真，结合仿 真结果分析了不同因素对其性能的影响。 第五章，基于d s p 的简化编码、交织实现。结合具体的d s p 芯片以及开发环 境，对l t et u r b o 编码和交织计算进行d s p 编程实现。简化了编码和交织计算实 现方法，详细说明了简化算法，并给出了实现流程图，然后完成d s p 代码编写、 调试、优化，最后分析了硬件资源使用情况和简化方法带来的性能提高。 第六章，总结和展望。总结全文，并指出下一步需要考虑和研究的问题。 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 系统关键技术及物理层结构 第二章l t e 系统关键技术及物理层结构 2 1 多址接入技术 2 1 1o f d n 认 l t e 系统下行传输采用了正交频分多址接入( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，o f d m a ) 方式。o f d m 是一种多载波调制技术，基本原理就是 将高速率、串行的数据流经过串并转换，变换成了多个低速率、并行的数据流， 利用多个相互正交的子载波进行调制传输。这样每个子载波上的数据符号周期增 加，可以减小无线信道多径时延扩展带来的影响，提高了抗多径衰落的性能，而 且l t e 系统在每个o f d m 符号之前插入了循环前缀c p ，也作为保护间隔，只要 c p 长度大于无线信道的最大时延扩展，就能最大限度地消除由于多径影响而引起 的符号间干扰( i s i ) 和载波间干扰( i c i ) 1 9 1 。 传统f d mo f d m 图2 1 传统f d m 和o f d m 频带利用比较 o f d m 技术利用了在时域上相互正交，频域上相互重叠的子载波，使得数据 信号在复用传输时并不会彼此影响，大大提高了频谱利用率，如图2 1 所示为传统 f d m 和o f d m 技术在频带利用率上的比较。 图2 3 l t e 系统下行o f d m 收发处理流程 l ie 系统o f d m 信号处理收发基本流程如图2 2 所示，发送端数据信息经过 编码调制、串并转换、子载波映射后进入到i f f t 模块，然后将i h 叮输出的并行，、 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 系统关键技术及物理层结构 数据转换成串行数据，再添加循环前缀，数字信号变为模拟信号后映射到天线进 行发送。 2 1 2s c - f d n 认 l t e 系统上行传输采用了单载波频分多址( s i n g l ec a r r i e r f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g a c c e s s ，s c f d m a ) 方式。由于用户终端信号发射功率有限，不能使 用发射信号具有高峰均功率比p a r p 的o f d m 方式，为了实现上行链路的传输， 降低终端发射耗电量及功放成本，l t e 选用了s c f d m a 作为上行多址技术【1 0 1 图2 3l t e 上行s c - f d m a 收发处理流程 s c f d m a 也可以称作一种特殊的o f d m 技术，采用了d f t - s o f d m 方式实 现发送。l t e 系统上行s c f d m a 收发处理流程如图2 3 所示，相比o f d m 系统 结构，s c f d m a 基带处理发送端将经过串并转换后的数据流首先经过一个d f t 处理，使其由时域变换到频域，映射到各个子载波上，然后再经过i d f t 、并串转 换、c p 添加和数模转换等。d f t - s - o f d m 属于单载波的调制方式，其发射信号也 具有单载