（通信与信息系统专业论文）80216a物理层卷积turbo码方案研究及实现.pdf

南京邮电学院硕士研究生学位论文摘要 8 0 2 1 6 a 物理层卷积t u r b o 码方案研究及实现 摘要 当今通信的宽带化发展趋势越来越引起人们的关注。尤其是宽带无线接入 ( b w a ) ，已成为解决“最后一公里”问题( 从客户网到核心网间的接入瓶颈) 的有效方法和研究热点。为了促进1 3 w a 的发展，i e e e 工作组为第2 代无线城 域n ( w m a n ) 先后定制新的协议标准i e e e8 0 2 1 6 及i e e e8 0 2 1 6 a ，定义新的空 中接口规范w i r e l e s s m a n t m ，以期望提供统一的业界标准。 本论文介绍b w a 技术和体系结构以及i e e e8 0 2 1 6 a 协议物理层编码方案， 详细研究i e e e8 0 2 1 6 a 中采纳的编码方案。由于卷积t u r b o 码在a w g n 信道和 多径信道中的优异性能，本文选用此种码型作为研究课题。文中详细研究t u r b o 码的迭代译码算法，对影响t u r b o 码纠错性能的因素进行分析。 此外，本论文还介绍t m s 3 2 0 c 6 0 0 0d s p 芯片结构及其开发流程，并以t i 提供的d s p 开发工具t m s 3 2 0 c 6 2 0 le v m 板为基础设计符合i e e e8 0 2 1 6 a 协议 的试验平台，该平台具有a d 和d a 转换器；并在此试验平台上以线性汇编模 块化结构实现两种译码器，涉及到定点数q 定标、指数函数和对数函数以及“模 归一化”比较等，随后对数据速率进行评估，并且给出上述实现方案的仿真曲线。 最后给出基于此平台的一个演示结果。 关键字：8 0 2 1 6 a ，宽带无线接入，l m d s ，a d s 5 2 0 3 ，d a c 7 8 0 2 ，卷积t u r b o 码，d s p ，t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 南京邮电学院硕士研究生学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fc t cs c h e m ei n8 0 2 1 6 aa n d i m p l e m e n t a t i o no fc o d e cs y s t e m a b s t r a c t a tp r e s e n t ，b w a ( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ) h a sb e e nap o p u l a ri s s u ei nt h e c o m m u n i c a t i o ni n d u s t r y , w h i c hp r o v i d e sac o n v e n i e n t ，e f f i c i e n ta n de c o n o m i c a lw a y t oa c c e s st ot h eb a c k b o n en e t w o r k i no r d e rt ou n i f ya n da c c e l e r a t ei t sd e v e l o p m e n t ， i e e e8 0 2w o r kg r o u ph a sr e l e a s e das e r i a lo f p r o t o c o l s ，s u c ha s8 0 2 1 6a n d8 0 2 1 6 a p r o v i d i n ga u n i f o r ma i ri n t e r f a c ew i r e l e s s m a n ，f o rb w a t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et e c h n o l o g ya n df r a m e w o r ko fb w aa n dt h ec o d i n g s c h e m ei n8 0 2 1 6 a c t c ( c o n v o l u t i o n a lt u r b oc o d e ) w a ss e l e c t e da sm yr e s e a r c h t o p i cd u et o i t s a s t o n i s h i n gp e r f o r m a n c eb o t ho na w g nc h a n n e la n dm u l t i p a t h c h a n n e l i nt h i se s s a y , e n c o d i n g ，e s p e c i a l l yd e c o d i n ga l g o r i t h mi n c l u d i n gl o g m a pa n d s o v a ，a r ed e p i c t e di nd e t a i l ；f u r t h e r m o r ea n a l y s i st h ef a c t o r sw h i c hh a v ei n f l u e n c e o nt h ep e r f o r m a n c e w h a t sm o r e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ea r c h i t e c t u r eo ft m s 3 2 0 c 6 0 0 0d s p sa n d i t sd e v e l o p i n gp r o c e s s b a s e do nt m s 3 2 0 c 6 2 0 1e v m p r o v i d e db yt ic o m p a n y , a t e n t a t i v es y s t e mw i t ha d c 7 8 0 2a n dd a c 5 2 0 3c o n v e r t e ri sb u i l tu pa c c o r d i n gt o 8 0 2 1 6 a o nt h ea s p e c to fs o f t w a r e ，t w ok i n d so fc o d c ca r ei m p l e m e n t e di nl i n e a r a s s e m b l yl a n g u a g e ，i n v o l v e d i nqp r e s e n t a t i o no ff i x e d p o i n t , e x p o n e n ta n d l o g a r i t h mf u n c t i o n ，a l s om o d u l on o r m a l i z a t i o n t h e n ，t h ed a t ar a t e i se v a l u a t e d m e a n w h i l e ，i nt h i st h e s i s ，p e r f o r m a n c ec 1 3 1 v eb a s e do na b o v ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m e a r ep r e s e n t e d f i n a l l y ，at e n t a t i v ed e m o n s t r a t i o ni se x h i b i t e d k e yw o r d s ：8 0 2 1 6 a ，b w a ，l m d s ，a d s 5 2 0 3 ，d a c 7 8 0 2 ，c t c ，d s p t m $ 3 2 0 c 6 2 0 1 南京邮电学院学位论文独创性声明 y7 6 5 0 6 2 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 含为获得南京邮电学院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：递! ：盔日期：立竺：! ：， 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：i 生兰盔导师签名：研究生签名：f 移口二盘导师签名：盟吼竺：= a主，鱼兰日期：乏二! 二：= ：。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1b w a 的现状与发展 随着i n t e m e t 技术的普及和用户数据的迅猛发展，用户对带宽的要求越来越 高。目前，核心网络建设均已初具规模，基本上全部采用容量很大的光纤，可满 足当前通信的需求。而用户与核心网络之间的接入网建设由于受到各种条件的制 约已成为宽带业务发展的瓶颈。接入网被称为“电信网的最后一公里”，其承载 业务的能力和质量直接关系到整个网络承载业务的能力和质量。随着宽带和网络 融合的技术发展，以及用户对电信综合业务需求的与日俱增，作为连接业务网和 用户之间桥梁的接入网，宽带化、多元化和综合化是其发展的必然趋势。 接入网可划分为有线接入网和无线接入网。宽带有线接入主要包括基于传统 电话线的x d s l 技术，基于有线电视网的c a b l e m o d e m 技术、基于以太网的l a n 接入技术、基于光纤技术的f t t x 等等。理论上，全光纤接入网是最理想的解决 方案，但是面向众多的中、小型企业( s m e ) 用户，f t r h 、f t t b 对基础网络 的要求过高，不具备有效成本优势，因此在短期内不会得到普及，并且某些地域 由于地形地势的原因缺乏有效的有线接入手段。随着近年来无线技术的发展，宽 带无线接入系统( b w a ) 和c a b l em o d e m 、x d s l 相比具有容量高，和光纤相比 具有迅速部署、逐步投资等优势。b w a 的第一代产品是本地多点分配系统 ( i _ m d s ) ，其市场定位于小型家庭办公( s o h o ) 、中小企业、城市商业中心这 一广阔范围，尤其是中小企业和城市人口密集的高楼商业区最能达到有效成本。 美国已经把开展l m d s 业务的频段拍卖，以w i n s t a r 为代表的新兴运营 商已经在华盛顿特区、洛杉矾等大城市进行了l m d s 系统安装，为用户提供高 速i n t e n e t 接入、会议电视、视频点播以及语音服务，取得了不错的商业效果。 国内，中国移动、中国联通、中国电信和中国网通四大运营商分别开展2 6 g h z l m d s 商用试验，这标志着2 6 g h zl m d s 系统的商业应用将全面展开。 然而到目前为止l m d s 在世界上还没有大规模商用。b w a 产业仍然发展缓 慢，其主要原因之一是b w a 直缺乏统一标准，无线信道环境相对粗糙，最初 的l m d s 系统产品大多是使用私有方案，或者将有线标准改造后直接应用于无 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 线环境。为了扭转这种不利于行业发展的现状，i e e e8 0 2 1 6 工作组于2 0 0 1 年 1 0 月完成了i e e es t a n d a r d8 0 2 1 6 2 0 0 1 【1 】协议的定制并于2 0 0 2 年4 月8 日正式发 布。协议为第2 代无线城域网( w m a n ) 定义了w i r e l e s s m a n t m 空中接口，支 持1 0 到6 6 g h z 的超高频段，这种微波频段要求b s ( 中心站) 和s s ( 用户站) 之间是视距l o s 链路。 随着技术在这个方向上的发展。工作组又制定了8 0 2 1 6 a 【2 】协议，作为8 0 2 1 6 的补充，能够提供多种业务。该协议直接支持游离和日益增长的移动用户，把空 中接口扩展到2 1 1 g h z 的低频段，包括了需要发放牌照频段和免牌照的频段 ( i s m ：2 4 g h z ) 。在这个频段，系统成本更低，用户覆盖范围更大，受雨衰影 响不大，可以采用非直视( n l o s ) 的传输方式，能直接支持慢速移动终端，但 速率也相对低些。 8 0 2 1 6 协议的出现标志着宽带无线接入将作为一个新的主要途径，把各商 业机构和家庭接入全球电信核心网。b w a 作为解决接入网瓶颈的有效手段，对 新兴运营商来说是一种有效成本的选择，并且随着标准的完善和市场的成熟，在 可预见的将来，b w a 将得到进一步的发展。 在这种背景下，笔者选定无线宽带接入技术协议8 0 2 1 6 a 作为研究课题，主 要研究协议中采用的物理层编码方案，着重研究卷积t u r b o 码，依托t i 公司的 t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 为基础，设计a d d a 子板，并设计算法软件，构建一个符合i e e e 8 0 2 1 6 a 协议的基本通信系统。 1 2 本文主要工作及章节安排 本文在上届工作的基础上，对基于o f d m 的通信系统进行了完善和改进。 硬件方面：通过对地址空闻划分，将原先的单工通信改进为双向通信；更换 a d s 5 2 0 3 的采样时钟，使e m i f 重读和少读采样点的问题得到了解决；软件方 面：在深入研究了卷积t u r b o 码的译码算法的基础上，针对d s p s 硬件结构特点， 以线性汇编模块化结构实现l o g m a p 、s o v a 两种译码器，内容涉及到定点数q 定标、指数函数和对数函数以及“模归一化”比较等。经过对原有系统的改进， 形成了一个可以双向通信的o f d m 系统，并用h p i 接口实现主机与d s p s 之间 双向数据传输。本文将给出个演示结果。 2 南京邮电学院硕士研究生学位论文第章绪论 第一章首先介绍本论文的选题背景以及宽带无线接入技术在国内外的发展 现状和推广应用，指出宽带无线按入技术研究的意义，明确本论文工作的研究目 标。 第二章简要说明b w a 系统组成及其各个模块以及i e e e8 0 2 1 6 协议家族和 8 0 2 i 6 a 参考模型，阐述8 0 2 1 6 a 协议物理层及其编码方案的选择，在此基础上 详细研究协议推荐采用的编码方案，该编码方案采用卷积t u r b o 码。 第三章介绍状态图、网格图、r s c 等基本概念后，着重论述卷积t u r b o 码译 码原理，i o g m a p 和s o v a 算法，在此基础上分析了影响性能的几个因素。 第四章首先描述t m s 3 2 0 c 6 2 0 1d s p s 的芯片结构特点等以及d a c 7 8 0 2 和 a d s 5 2 0 3 ，在理解这些原器件的原理和接口工作时序的基础上，并设计包括a d 和d a 接口的符合i e e e8 0 2 1 6 a 协议的试验平台。实现了双向通信。 第五章首先简要描述c 6 2 0 1d s p 软件开发过程，以本论文设计的试验平台 为基础，设计实现l o g m a p 、s o v a 两种译码器，简要分析并给出系统性能。最 后分别给出a w g n 信道下上述方案的仿真结果。 第六章总结全文并指出进一步的工作方向。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章b w a 简述及8 0 2 1 6 a 物理层编码方案 第二章b w a 简述及8 0 2 1 6 a 物理层编码方案 2 1b w a 组成及参考模型 宽带无线接入( b r o a 龇dw i r e l e s sa c c e s s ，b w a ) 通常指主要用来在用户 终端和核心网间传递宽带业务的固定无线系统。b w a 系统通常采用“点到多点” ( p m p ) 拓扑结构。l m d s ，本地多点分配业务系统，是第一代b w a 系统，是 从微波视频分布系统( m v d s ) 发展而来的一种固定宽带无线接入技术，适用于本 地宽带业务的传输和接入。m e e8 0 2 1 6 和8 0 2 1 6 a 协议描述的是第二代b w a 系 统，两者之间最重要的区别就在于对视距和移动性的要求，前者要求b s 与s s 之间视距传输，且不支持移动性，而后者不要求视距传输，支持缓慢移动性，这 基本上满足当前人们对无线宽带接入的移动性要求。 b w a 通用参考模型【3 如图2 一l 所示，典型系统包括：中心站( b s ) 、用户站 ( s s ) 、用户终端设备( t e ) 、核心网和中继站( r s ) 等。 l o l 衙d l o l l 谢a 翩f _ i a咖呲岫冀。悯0 f t 耵e c l i o i a l 讲s e d 删8 憎邕n a c o r en e t w o r k ：核心网 i n l e r c c i il i n k ：小区间链路 b s ：基站( 中心站)s s ：用户站 rs：中继站te：用户终端设备 f ：业务节点接口( s n i )g ：用户网络接口( u n i ) 图2 - 1 固定宽带无线接入( b w a ) 系统参考模型 中心站：提供b w a 到核心网的业务节点接口( s n i ) ，( 典型设备支持a t m 、 4 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章b w a 简述及8 0 21 6 a 物理层编码方案 e l t 1 等接口) ，它负责无线资源管理，完成a t m 交换、话音交换等处理。又分 为室内单元( i d u ) 和室外单元( 0 d u ) 两部分。室内单元是与提供业务相关的部分， 如业务盼适配和汇聚，包括与骨干网络的接口模块、a t m 信元处理模块、调制 解调模块；室外单元提供中心站和终端站之间的射频传输功能，包括高频微波收 发信机、定向天线，一般扇区天线与室外单元一体化安放在建筑物的屋顶上。 用户站：提供用户终端接入系统的多种用户网络接口( u n i ) ，它负责将用 户以t d m a 、f d m a 等无线多址接入方式接入基站，为用户终端提供p s t n 、电 路仿真和高速i p 等业务，支持多种应用。 中继站：当b s 在正常覆盖范围内和s s 不具直视( l o s ) 条件或需要扩展 b s 的正常覆盖范围时，便采用r s 来中继再生b s 的信号到s s 。在环状网和网 状网拓扑结构中，许多r s 本身就是s s ，也可以接本地用户终端设备。 用户终端设备：根据s s 支持的不同接口，t e 可以是a t m 子网、l a b 、p b x 、 v o d 电视、i s d n 专线等多种业务终端。 天线：b s 天线采用全向或扇区抛物面天线。根据采用天线的不同，可划分 为1 5 、2 2 5 、3 0 、4 5 、6 0 、9 0 的扇区。8 0 2 1 6 要求工作频段通常在1 0 6 6 g h z ， 电波遇障碍绕射能力较差，并在2 0 3 0 g h z 频段内因降雨引起的散射衰减严重。 因此b s 和s s 的天线须“视距”( l o s ) 以保证无碍通信。而8 0 2 1 6 a 工作频段 在2 1 1 g h z ，电波绕射能力稍强，因此对l o s 要求较低，具有一定的移动性， 且雨衰比8 0 2 1 6 弱的多。 b w a 的突出代表是l m d s t 4 ，主要使用a t m 协议，具有标准化的网络侧接 口和网管协议。目前的l m d s 设备一般工作于2 6 g h z 以上频段，利用大容量点 对多点微波传输，提供话音、数据、视频图像业务，能够实现从n x 6 4 k b p s 到 2 m b p s ，甚至到1 5 5 m b p s 的用户接入速率。 2 2i e e e8 0 2 1 6 概述 2 2 1i e e e8 0 2 1 6 协议家族成员 i e e e8 0 2 1 6 是本地网和城域网标准家族成员的一部分。它和其它8 0 2 标准 南京邮电学院硕上研究生学位论文第二章b w a 简述及8 0 21 6 a 物理层编码方案 成员的关系【1 1 2 】如图2 - 2 所示。 圉 引酮 二二二三三二二 熊 圈国圜国园国国 轴r - 由i e e e s l d 凇。i a 讲帕 l u w e r 图2 - 2i e e e8 0 2 标准家族成员体系结构 标准家族根据i s o 组织的0 s 删基本参考模型( i s o i e c7 4 9 8 1 ：1 9 9 4 ) 定义物 理层和数据链路层。它定义几种类型的接入技术和相关物理媒质，每种适合特定 的应用和系统目标。其成员如下： i e e es t d8 0 2 。：i e e e8 0 2 协议家族的的总体框架，即i e e e8 0 2 1 a 。 i e e es t d8 0 2 1 b i e e es t d8 0 2 1 d i e e es t d8 0 2 1 e i e e es t d8 0 2 1 f ： i e e es t d8 0 2 1 g ： i e e es t d8 0 2 1 h 菌： i e e es t d8 0 2 z q ： i e e es t d8 0 2 2 ： i e e es t d8 0 2 3 0 ： i e e es t d8 0 2 4 ： i e e es t d8 0 2 5 圆： i e e es t d8 0 2 6 。： i e e es t d8 0 2 1 0 圆： 8 0 2 1 k 圆：在l a n m a n 环境中执行远程管理的管理体系。 媒体访问控制桥( m a cb r i d g e s ) 。 系统负荷协议。定义管理与i e e e8 0 2 1 6l a n 的系统负荷相 关的一组业务和协议。 i e e e8 0 2 管理信息的公共定义和过程。 远程m a c 桥接。定义使用i # l a n 系统将地理分割的l a n 系 统互联的扩展方法。 推荐的m a c 实施方法，对e t h e m e tv 2 0 的桥接。 虚拟桥接l a n 。 逻辑链路控制。 c s m a c d 接入方法和物理层规范。 令牌总线型接入方法和物理层规范。 令牌环型接入方法和物理层规范。 分布式队列双总线接入方法和物理层规范。 l a n m a n 公共安全协议 6 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章b w a 筒述及8 0 2 1 6 a 物理层编码方案 i e e es t d8 0 2 1 1 圆： i e e es t d8 0 2 1 2 圆： i e e es t d8 0 2 1 5 ： i e e es t d8 0 2 1 6 ： i e e es t d8 0 2 1 7 i e e es t d8 0 2 7 ： 无线局域网( w l a n ) 的m a c 子层和物理层规范。 按需优先接入方法，物理层和中继规范。： 无线个人网( w p a n ) 的m a c 子层和物理层规范。 无线城域网( w m a n ) 的m a c 子层和物理层规范，固定宽 带无线接入系统的空中接口。 弹性分组令牌接入方法和物理层规范。 i e e e 对宽带局域网的推荐实施方案。 2 2 2i e e e8 0 2 ，1 6 和i e e e8 0 2 1 6 a 协议组成和参考模型 i e e e8 0 2 1 6 协议描述一个点到多点的固定宽带无线接入系统的空中接口， 包括媒体访问控制层( m a c ) 和物理层( p h y ) 两大部分。以该系统组建的无 线城域网( w m a n ) 可提供多种业务。其m a c 层能支持多种物理层规范，以适 合各种应用环境。1 0 6 6 g h z 频段的物理环境由于是微波，要求b s 和s s 间直 视( l o s ) ，并可忽略多径效应。其信道带宽较大，通常是基于单载波调制的空中 接口，单载波带宽为2 5 m h z 或2 8 m h z ( 我国采用) ，因此也被称为 w i r e l e s s m a n s c m 空中接口。8 0 2 1 6 a 在此基础上增补了2 1 lg h z 频段的标 准，并增强m a c 层功能。i e e e8 0 2 1 6 a 1 1 f 2 j 的参考模型如图2 - 3 所示。 m a c 层：由特定业务汇聚子层( c s ) ，m a c 公共部分予层( m a cc p s ) ， 加密协议子层( p r i v a c y ) 3 部分组成，加密协议子层是可选的。 c s 子层主要功能：负责将其业务接入点( c ss a p ) 收到的外部网络数据 ( s d u ) 转换和映射成m a cs d u ，并传递到m a cc p s 层业务接入点( m a c s a p ) 。这具体包括对外部网络数据( s d u ) 执行分类，并关联到适当的m a c 业务流( m a cs e r v i c ef l o w ) 和连接标识符( c i d ) 上，甚至可能包括净荷头抑 制( p h s ) 等功能。协议提供多个c s 规范( a t m c s 和p a c k e t c s ) 作为与外部 各种协议的接口。c s 净荷的内部格式对c s 层是唯一的，m a cc p s 不需要理解 南京邮电学院硕上研究生学位论文第二章b w a 简述及8 0 21 6 a 物理层编码方案 一粥潞警；赫赫? 一i ： 图2 - 3i e e e8 0 2 1 6 a 协议栈参考模型 或分析来自c s 层的净荷。 m a cc p s 子层主要功能：它是m a c 的核心部分，包括系统接入，带宽分 配，连接建立和连接维护等。它通过m a cs a p 接收来自各种c s 层的数据并分 类到特定的m a c 连接，同时对物理层上传输和调度的数据实施服务质量控制 ( o o s ) 。通常说的m a c 层主要指m a cc p s 。 p r i v a c y 予层的主要功能：提供认证、密钥交换和加解密处理。 物理层( p h y ) ：由传输汇聚子层( t c s ) 和物理媒质依赖予层( p m d ) ，通 常说p h y 主要指后者。每个p m d 都需要一个传输汇聚子层功能块，如果物理 媒质依赖子层本身具有传输汇聚子层的功能，则可不用t c s 功能块。物理层在 b s 与s s 之间通过s a p 向m a c 提供服务。 2 3i e e e8 0 2 16 a 协议物理层 物理层被设计成高度的柔性，以利于优化系统整体性能配置。在p h y 中， 定义两种双工方式：t d d 和f d d ，这两种方式均使用突发数据传输格式( f r a m e b yf r a m e ) ，该传输机制支持自适应的突发业务数据，一些传输参数包括调制、 耄l毋却协芝l嗣母c日善18点3 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章b w a 简述及8 0 21 6 a 物理层编码方案 编码方案等，都可以针对每个s s 按帧进行动态调整。f d d 既支持全双工的s s 。 也支持半双工的s s 。半双工f d ds s 不能同时接收和发送数据，因而成本低些， 但支持全双工f d ds s 会稍许增加系统的复杂度。 p h y 的上行链路采用t d m a 和d a m a ( d e m a n d a s s i g n e d m u l t i p l e a c c e s s ) 混合的接入方式。上行信道被分成一个一个小的时隙，b s 中的m a c 层控制这 些时隙的分配，以针对不同用户的不同要求，优化系统整体性能。 下行信道一般采用t d m 方式，发往每个s s 的下行数据被复用成一串数据 流，数据按稳健性降序传输，在同一扇区的每个s s 都能接受到该数据流。因为 接收s s 地址是隐含在m a c 报头而不是d l m a p 中，s s 要侦听它所接收的下行 子帧的所有部分。对于半双工s s ，它接收突发数据包的稳健性大于或等于事先 与b s 协商结果的部分。对发往半双工f d d 方式的s s ，数据则采用t d m a 接入 方式，以防这些s s 失去同步，t d m a 的前缀头可以使s s 恢复同步。 p h y 的数据分帧进行传输，帧长为0 5 ，i 或2 m s 。每一帧的下行数据经过 随机化、f e c 编码、q p s k 、或1 6 q a m 、或6 4 q a m ( 可选) 映射等阶段被发送 出去：同样，上行可变长度的帧数据也需经过随机化、f e c 编码、q p s k 、或1 6 q a m ( 可选) 、或6 4 q a m ( 可选) 映射等阶段被发往b s 。上下行均采用单载波调制 方式，采用奈奎斯特平方根升余弦脉冲对波形成形，滚降系数取o 2 5 。随机化用 于频谱成形和使比特经常变化确保时钟不失步。图2 4 表示上行( 下行) 数据的 传送流程框图。 图2 - 4 上行( 下行) 数据传送流程图 每个上( 下) 行突发数据包都被一个唯一的u i u c ( d i u c ) 码所标识，该 u i u c ( d i u c ) 码表征相应的突发数据包的物理层的传输参数。前向纠错的选项 和调制方式的选择可组合生成很多种具有不同突发业务参数的数据包，不同的突 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章8 w a 简述及8 0 2 1 6 a 物理层编码方案 发业务参数有着各自不同的稳健性和高效性。 2 4i f - e e8 0 2 1 6 a 协议物理层编码方案 无线信道的典型特征就是多径。多径效应是由于建筑物、树木、地形以及大 气对流等因素造成电波的反射、散射和绕射引起的，它对信号的影响包括：时延 扩展、相干带宽等；同时由于用户站( s s ) 的移动又导致了信道的多普勒( d o p p l e r ) 频移，它的大小和移动速率有很大关系。对于无线通信来说，信道的复杂性和恶 劣的空间条件不同于语音通信系统，对系统的性能要求远远高于语音通信系统， 因此编码方案的选择是一个不可忽视的问题，好的码型可以使得编码后的码字序 列具有较强的纠错能力，对无线接入网的性能起着极为重要的作用。卷积t u r b o 码自从提出以来，由于其在a w g n 信道和多径信遭上接近s h a n n o n 限的优异性 能，成为近年来纠错编码理论研究的一个热点，最终成为8 0 2 1 6 a 协议的一种可 选编码方案。8 0 2 1 6 a 协议中，信道编码由随机化( r a n d o m i z a t i o n ) 、前向纠错 ( f e c ) 和交织( i n t e r l e a v e ) 三部分组成。它们按照这个顺序应用到系统中发送 端，在接收端反过来应用。 2 4 1 随机化 在上行和下行链路，系统都对数据进行随机化。随机化是在每一个a l l o c a t i o n ( d lo ru l ) 上进行，不同的a l l o c a t i o n 是独立进行。随机化是通过和伪随机序 列( p i 国s ) 的异或完成的，寄存器在每个新的a l l o c a t i o n 开始时进行初始化。p r b s 产生式是1 + 一4 + x ”，如图2 5 所示。 m s b 图2 - 5数据随机化的p r b s 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章b w a 简述及8 0 2 1 6 a 物理层编码方案 每个待传输数据字节按高位比特先进的原则进行随机化。同步码( p r e a m b l e ) 不包含在随机化的范围之内，种子( s e e dv a l u e ) 与每个突发的数据比特进行异或 ( x o r ) 操作即可计算出随机化比蒋。仅有信息比特才进行随机化。随机化器 的输出比特发送给编码器。 2 4 2 前向纠错码 在8 0 2 1 6 a 协议中，卷积t u r b o 码作为一种候选信道编码方案而提出的，采 用的编码方式是d c t c ( 双二进制卷积t u r b o 码) 。相对于二进制卷积t u r b o 码 来说，多进制卷积t u r b o 码具有更好的收敛性；由于多进制c t c 采用多维迭代译 码，降低了子编码器的相关性，从而每一雏的错误路径密度就会相对比较低这 个优点在双二避制以上的多迸制情况下将会更显著；同时，各列之间可以交换部 分数据，这就相当于增加了交织器的交织深度，因此编码器具有更大的最小自由 距离1 5j 。下面就简要介绍协议中的d c t c 的编码器、交织器、删余等内容。 d c t c 的编码器结构如下图所示： a 2 - 6d c t c 编码器结构 图2 7d - c t c 的r s c 予编码器结构 协议中的d c t c 采用双二进制循环递归系统卷积码。信息比特交替地反馈 给a 和b ，以第一个字节的m s b ( 最高有效位) 反馈给a 开始。反馈的块大小 为k 比特或n 对( k _ 2 n ) ，对所有的帧长度来说k 是8 的倍数，n 是4 的倍数。 并且n 应该限制在3 2 至4 0 9 6 内。 子编码器的十六进制表示和符号描述如下： 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章b w a 简述及8 0 2 1 6 a 物理层编码方案 反馈分支：十六进制表示为0 x b ，符号描述为1 + d + d 3 校验比特：十六进制表示为0 x d ，符号描述为1 + d 2 + d 3 。 编码器输出数据的顺序为( 其中m 为校验位的比特数) ： 4 岛一4 。一。b u 一k 。i 。一誓 ，蔓m k ，e “ 表2 1 给出了不同调制方式对应的分组大小、编码率、编码参数n 、p o 、p l 等。其中p 0 和p i 在为交织器参数，在后续章节中将会介绍到。另外6 4 q a m 是 可选的调制方式。 调制数据码字 编码率n r只 方式大小大小 q p s k 2 4 4 8 l ，29 673 n 4 q p s k 3 24 82 31 2 81 13 n 4 q p s k 3 64 83 41 4 41 73 n “ 1 6 q a m 4 8 9 6 1 21 9 21 l3 n 4 1 6 q a m 7 29 63 42 8 81 3 3 n 似 6 4 q a m 9 61 4 41 23 8 41 73 n 4 6 4 q a m 1 0 81 “ 3 44 3 2 1 73 n 4 表2 - 1不同调制方式下的编码参数 交织器采用的是对进入a 、b 的两列输入数据联合起来进行交织的，而不是 独立交织，好处是相当于增加了交织长度，性熊比单独交织更好。交织时需要表 2 - 1 给出的两个参数异和墨。 交织分为两步。 i ) 图2 - 6 中的两列输入数据a 、b 相互交换部分数据。规则如下： j 从1 到n ，如果j 为偶数，则a 、b 交换数据。 i i ) 然后对交换数据后的每列数据，计算对应于下标j 的新下标i 。规则如下： 1 2 矿4 = 0 ，1 矿删4 = 2 ( 2 一1 ) 葶j 瞄4 = 3 m m k龇呲 十+ 儡，y p 昂 0 昂 ，1 0 i 卜 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章b w a 简述及8 0 21 6 a 物理层编码方案 2 4 3 信道交织 研究表明，在多径信道下，采用信道交织能够将信道衰减随机化，从而得到 更好的系统性能。i e e e8 0 2 1 6 a 协议中的信道环境是多径信道，比如s u l 3 信道、 s u l 5 信道等。因此协议规定了信道交织方面的内容。 由于随机化和交织都比较容易实现，编码方案实现的难点在前向纠错码 f e c ，因此，本论文着重介绍卷积t u r b o 的实现。 2 5 本章小结 宽带无线接入技术，作为提供灵活性、机动性和综合业务的重要手段，吸引 广泛的关注，成为解决通信网“最后一公里”问题的上佳方案，倍受世人青睐。 正是出于对业界最新技术的发展考虑，i e e e8 0 2l a n m a n 标准委员会先后颁布 8 0 2 1 6 和8 0 2 1 6 a 标准，以引导和规范宽带无线接入网的发展。该标准详细地定义 b w a 系统的空中接口规范，包括媒体接入控制子层( m a c 层) 和物理子层( p h y 层) ， 本章以l m d s 为例介绍b w a 的发展和系统结构，并介绍i e e e8 0 2 1 6 协议 家族和8 0 2 1 6 及8 0 2 1 6 a 协议的参考模型和分层结构，着重介绍i e e e8 0 2 1 6 a 物理层的基本知识。随后介绍了i e e e8 0 2 1 6 a 协议中的卷积t u r b o 码技术，详细 描述协议中卷积t u r b o 码编码参数、交织器算法、删余器以及调制参数等。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第三章卷积t u r b o 码编码及译码算法 第三章卷积t u r b o 码编码及译码算法 卷积t u r b o 码是在1 9 9 3 年由c b e r r o u 等在i c c 会议上提出的，又称为并行 级联卷积码( p c c c ) 。当时由于其优异的误码性能而引起轰动，后来就一直成为 信道编码研究的热点。模拟结果表明：采用6 5 5 3 5 大小的交织器，1 8 次迭代译码， 在信噪比大于o 7 d b 的条件下，码率为1 2 的t u r b o 码在a w g n 信道上的误比 特率小1 0 一，达到了近s h a n n o n 限的性能 6 】。正是由于如此卓越的误码性能，卷 积t u r b o 码得到了广泛的应用。在第三代移动通信系统中卷积t u r b o 码被建议为 支持高速数据业务的信道编码方案：在数字电视广播系统( d v b ) 中也使用了 四迸制卷积t u r b o 码；在2 0 0 3 年4 月出台的i e e e8 0 2 1 6 a 协议中也建议使用四 进制卷积t u r b o 码作为候选的信道编码方案。 香农信道编码理论指出，只要编码块足够长，随机编码可以保证任意小的误 码率。但是为了保证编译码算法在运算上的易于处理，码字必须具备一定的结构， 这种结构确保了它们的可实现性。本章着重研究卷积t u r b o 码，但由于卷积t u r b o 码在概念和术语上与卷积码有许多相似之处，因此，在讨论卷积t u r b o 码之前先 回顾一下卷积码。 3 1 卷积码 卷积码【7 】【8 1 是一个有限记忆系统，编码码字不仅和当前时刻的输入有关，还 和本时刻以前的l 个输入有关，因此构成了有限状态机。上被称为约束长度。对 于度不大的码，v i t e r b i 最大似然译码算法不仅性能优良，并且易于大规模集成 电路的硬件实现，因此成为卷积码的首选译码算法。 3 1 1 卷积码编码器 卷积码编码器可以用移位寄存器电路来实现，它把数据流分成长度为k 的信 息帧，其编码器不是把单个的信息帧编成一个码字，而是把信息帧与其前面的 个信息帧一起编码得到码长为n 的码字，通常用( 一，k ，) 来表示，码率r = k n ，l 1 4 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第三章卷积t u r b o 码编码及译码算法 称为约束长度。下图给出了( 2 ，1 ，2 ) 卷积码编码器。 图3 - 1 ( 2 。1 ，2 ) 卷积码编码器 其生成多项式可表示成： g ( d ) = 1 + d + d 2 ，1 + d 2 】 为简单起见，也可以用用二进制或八进制形式 g e n = 【1 ，1 ，1 ；1 ，0 ，1 】 g e n = 7 ，5 3 1 2 卷积码的表示 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) 卷积码是一个有限记忆系统，或称之为有限状态机，可以用状态图和网格图 来表示，都能很好地描述其内在特性。 卷积编码器的状态由移位寄存器中的内容决定，码率为1 i n ，记忆长度为l 的 卷积编码器的状态数是2 。根据新输入比特值为0 还是1 来确定状态向两种状 态的哪一个转移。当编码器从一种状态转移到另一种状态时，输出一，z 比特的码 字。状态图由节点s ，( _ ，( o ，1 ，2 。一1 ”和支路组成，支路用m i x 标记，其中聊是 输入比特，x 是对应于状态转移的编码输出。下图是图3 1 对应的状态转移图。 图3 - z 卷积码的状态转移图 南京邮电学院硕士研究生学位论文第三章卷积t u r b o 码编码及译码算法 从状态图可以得到网格图。在网格图中，节点不仅仅表示莱一状态，而且表 示某个离散时刻。以邑，标记节点，其中，表示状态，f 表示时刻，f 时刻的节点 和i + 1 时刻的节点由支路来连接。下图就是图3 - 2 对应的网格图。 图3 - 3 卷积码的网格图 卷积码的每一个码字与网格图中唯一一条路径相对应。路径是状态序列 s = s o ，5 l ，一，s l ，】。完整路径是起始于s o 终止于& 。的路径。信息m 、路径 s 和码字工之间存在一一对应的关系。 3 1 3 递归系统卷积码 对于卷积码，可以在不改变码字最小汉明距离氏。的前提下可以将其变化成 系统形式。如果将生成序列、信息序歹和码字均用多项式表示，其中码字前馈多 项式为g r ( d ) ，反馈多项式为g b ( d ) ，通常将这样的多项式记做g = 【g ，( d ) ，g 。( d ) 】， 信息序列多项式为m ( d ) ，码字多项式为c ( d ) ，对于编码效率为1 2 的非系统卷 积码可以按如下步骤得到它的系统码： 1 计算m ( d ) 9 6 ( d ) 得到余式“d ) 。 2 系统比特知( d ) = ( d