（通信与信息系统专业论文）无线通信系统中的迭代接收技术.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 未来宽带无线通信系统需要使用先进技术来有效地处理时间离散移动无线环 境的影响。t u r b o 原理的应用可以对并行或串行级联纠错码进行迭代译码，从而 使得性能逼近s h a n n o n 信道容量界限。t u r b o 原理已经应用于提高多径信道条件 下的通信可靠性。 本论文重点研究存在码间干扰( i s i ) 的信道中点对点可靠数字通信的相关课 题，传输数据经纠错码保护。该通信系统的接收端存在两个问题：克服i s i 的影 响( 均衡、检测) 和译码问题。本文着重研究了迭代接收技术，该技术可以有效 地联合解决均衡和译码的问题。 首先，简要介绍了无线通信系统的基本框架，主要给出了当前t u r b o 码及 t u r b o 均衡技术的研究现状。本论文的工作主要为： 第二章对t u r b o 码及t u r b o 均衡基本结构及原理进行了详细的论述。并针对主 要算法给出了原理分析及比较，为论文后面章节的算法应用提供了帮助。本章最 后给出了不同算法的仿真结果及比较分析。 经过第二章的简单介绍，对迭代接收技术有了很好的理解，第三章，我们利 用外部信息转移图( e x i t ) 来研究迭代接收机的收敛性问题，并且提出了一种改 进的迭代方案，该方案可以更有效的保证i s i 信道条件下的数据传输。并且，我 们分析比较了三种均衡算法在该方案中的应用改进算法( i - m l m ) 、最大后 验概率( m a p ) 算法和线性最小均方误差( m m s e ) 算法，分别称为m i i m l m ， m i m a p 和m i l m m s e 方案。结果表明，m i i m l m 方案性能与m i m a p 方案 性能非常接近并且明显好于m i l m m s e 方案，并且经过理论分析可知该方案算 法复杂度比其他方案低。 第四章我们提出了一种基于预编码的低复杂度的迭代接收方法。基于对预编 码和改进接收方案的充分理解，我们提出了基于预编码的迭代接收方案，发现其 性能明显优于无预编码时的系统性能，而且在高信噪比条件下可以打破无i s i 时 采用同样纠错码的系统性能界限。因此，根据有无预编码时的性能区别，我们提 出了一种联合使用预编码与无预编码的迭代接收方案来提高系统性能。分析及仿 山东大学硕士学位论文 真结果表明，该方案可以在不增加计算复杂度的情况下有效地提高了系统误码率 性能。 由于重叠编码复用技术( o v c d m ) 是一种高频谱效率的通信技术，本文第 五章主要介绍了o v c d m 系统的编译码基本框架及原理，并对其系统性能进行了 仿真。然后将该技术应用到i s i 信道条件下，并分析仿真其性能。由此可以看 出，o v c d m 技术充分地利用了重叠编码带来的好处，提高了系统性能。 关键词迭代；t u r b o 均衡；码间干扰( i s i ) ；重叠编码复用技术( o v c d m ) 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t f u t u r eb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw i l ln e e dt ou s ea d v a n c e d t e c h n o l o g i e st oe f f e c t i v e l yd e a lw i t ht h ed e t r i m e n t a lt i m ed i s p e r s i v em o b i l er a d i o e n v i r o n m e n t u s eo ft h e t u r b o p r i n c i p l et oi t e r a t i v e l yd e c o d ep a r a l l e lo rs e r i a l c o n c a t e n a t e de r r o rc o r r e c t i o nc o d e sh a sl e a dt op e r f o r m a n c ec l o s e l ya p p r o a c h i n g s h a n n o n st h e o r e t i c a lc h a n n e lc a p a c i t yl i m i t t h i sp r i n c i p l eh a sa l s ob e e nu s e dt o i m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n so v e ram u l t i - p a t hc h a n n e l t h i st h e s i sa d d r e s s e st h ei s s u eo fp o i n t - t o - - p o i n tr e l i a b l ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o n s o v e rac h a n n e li n t r o d u c i n gi n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) ，w h e r et h ed a t at ob e t r a n s m i t t e di sp r o t e c t e db ya l le r r o rc o r r e c t i o nc o d e t h er e c e i v e ri ns u c ha c o m m u n i c a t i o ns y s t e mf a c e st w op r o b l e m s ：t h a to fm i t i g a t i n gt h ee f f e c t so fi s i ( e q u a l i z a t i o no rd e t e c t i o n ) a n dt h a to fd e c o d i n g t h em a j o rc o n t r i b u t i o no ft h i sw o r ki s t h es t u d yo fa l li t e r a t i v er e c e i v e ra p p r o a c h ，w h i c he f f i c i e n t l ys o l v e st h e s et w op r o b l e m s j o i n t l y f i r s t l yw ep r o v i d et h eb a s i c a li n t r o d u c t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，a n d i n t r o d u c et h er e l a t e dr e s e a r c ha b o u tt u r b oc o d ea n dt u r b oe q u a l i z a t i o na tp r e s e n t t h e m a i nw o r ki nm yt h e s i si n c l u d e s ： c h a p t e r2i sat u t o r i a lt h a tg i v e sad e t a i l e de x p l a n a t i o no ft h et h e o r yo ft u r b oc o d e a n dt u r b oe q u a l i z a t i o n f o l l o w i n gt h i s ，t h i sc h a p t e rp r o v i d e sat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no f t h ea l g o r i t h m sd e r i v e di nl a t e rc h a p t e r s 。a tt h ee n do ft h i sc h a p t e r , s o m es i m u l a t i o na n d a n a l y s i sr e s u l t sa r eg i v e n d e p e n d i n go nt h ew e l lu n d e r s t a n d i n go ft h ei t e r a t i v er e c e i v e r , i nt h ec h a p t e r3 ，w e u t i l i z ee x t r i n s i ci n f o r m a t i o nt r a n s f e r ( e x i t ) c h a r tt os t u d yt h ec o n v e r g e n c eb e h a v i o ro f i t e r a t i v er e c e i v e ra n dp r o p o s eam o d i f i e di t e r a t i v es c h e m ef o rt h ed a t at r a n s m i t t e db y m o r ee f f i c i e n tw a yo v e ri n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) c h a n n e l s ，t h e nc o m p a r ea n d a n a l y z et h ep e r f o r m a n c ef o rt h r e ee q u a l i z a t i o na l g o r i t h m si n t h i ss c e n a r i o ：i m p r o v e d m a x l o g - m a p ( i - m l m ) a l g o r i t h m ，m a x i m u map o s t e r i o r i ( m a p ) a l g o r i t h ma n d l i n e a rm i n i m u mm e a n s q u a r e de r r o r ( l m m s e ) a l g o r i t h m ，n a m e da sm i i m l m ，m i m a pa n dm i l m m s er e s p e c t i v e l y a st h er e s u l t ，t h ep e r f o r m a n c eo fm i i m l mi s v e r yc l o s et om i m a pa n dm u c hb e t t e rt h a nm i l m m s ew h i l ei t sc o m p u t a t i o n a l i i i 山东大学硕士学位论文 c o m p l e x i t yi sm u c hl o w e r c h a p t e r4p r o v i d e sam o d i f i e di t e r a t i v ee q u a l i z a t i o n ( m i e ) s c h e m eb a s e do n p r e c o d i n g b a s e do nt h eg o o du n d e r s t a n d i n go f t h ep e r f o r m a n c eo fp r e c o d i n ga n dm i i m l ms c h e m e ，w ee x p l o i tp r e c o d i n gi nm i i m l m ，a n dt h e nf i n dt h a tt h ep e r f o r m a n c e o fp r e c o d e dm i - i - m l mi so b v i o u s l yb e t t e rt h a nt h a to fn o n - p r e c o d e da n dc a ne v e n e x c e e dt h eb o u n do fa ni s i f le ec h a n n e li nh i g h e rs n r ，w h i l ei t sp e r f o r m a n c ei sl o w e r t h a nt h eo n eo fn o n p r e c o d e di nl o ws n r t h e r e f o r e ，w ep r o p o s ean o v e ls c h e m et og e t b e t t e rp e r f o r m a n c eb yu s i n gam i x t u r eo fp r e c o d e da n dn o n - p r e c o d e ds c h e m e b o t h a n a l y t i c a la n ds i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ep r o p o s e dn o v e ls c h e m ec a l l a c h i e v eb e t t e rp e r f o r m a n c ew i t h o u ti n c r e a s ei nc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y b e c a u s eo v e r l a p p e dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g yi sah i g hf r e q u e n c y s p e c t r u me f f i c i e n c yt e c h n o l o g y , w ei n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo fe n c o d e ra n dd e c o d e ra n d s i m u l a t et h es y s t e mp e r f o r m a n c e a n dt h e n ，w ea n a l y z et h es y s t e mm o d e lw h i c h i m p l e m e n t st h eo v c d mi n i s ic h a n n e l t h e r e f o r e ，i ti sc l e a rt h a tb e n e f i t sc a nb e a c h i e v e db ye x p l o i tt h eo v e r l a p p e dc o d e k e y w o r d si t e r a t i v e ；t u r b oe q u a l i z a t i o n ；i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) ；o v e r l a p p e d c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o v c d m ) 山东大学硕士学位论文 a w g n b c j r b e r b p s k c d m a d b e x i t f e c f d m a g s m i i d i s i l l r m 峪p m m s e m i m o 缩写和符号说明 缩写 a d d i r i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e 加性白高斯噪声 b a h lc o c k ej e l i n e kr a v i v b i te r r o rr a t e 比特错误率 b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g 二进制相位转移键控 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s d e c i b e l e x t r i n s i ci n f o r m a t i o nt r a n s f e r f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n i n d e p e n d e n c ei d e n t i c a ld i s t r i b u t i o n i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e l o g - l i k e l i h o o dr a t i o m a x i m u ma - p o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r 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 o v c d m o v e r l a p p e dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g p d f s i s 0 s n r t d m a z f p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n s o f t - i n p u ts o f t o u t p u t s i g n a l - - t o n o i s er a t i o t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s z e r of o r c i n g 码分多址 外信息交换 前向纠错码 频分多址 全球移动通信系统 独立同分布 符号间干扰 对数似然比 最大后验概率 最小均方误差 多输入多输出 重叠编码复用 概率密度函数 软输入软输出 信噪比 时分多址 迫零 v 山东大学硕士学位论文 v i 符号 取期望 矩阵a 的h e r m i t i a n 转置 矩阵a 的转置矩阵 m m 单位矩阵 白高斯噪声的双边功率谱密度 白高斯噪声的方差 每个信息比特的能量 比特错误概率 信道转移概率 复杂度度量 础l舭矿玩最肼 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：强盔亟 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蝗亟退导师签名应丝日期：兰! z 。垒12 里 - f - ) d 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 随着现代通信技术和计算机技术的迅速发展，每天都在不断涌现新的通信业 务和信息业务，同时用户对通信质量和数据传输速率的要求也在不断提高。由于 通信信道固有的噪声和衰落特性，信号在经过信道传输到达通信接收端的过程中 不可避免地会受到干扰而出现信号失真。通常需要采用差错控制编码来检测和纠 正由于信道失真引起的信息传输错误。 作为二十世纪发展起来的重要技术之一，无线通信在过去几十年里已经有了 巨大的变化，很大程度上的改变了人们的生活。现代的商务系统可以提供多种不 同的应用，不仅包括电路交换服务如音频、视频电话等，而且包括分组交换服务 例如视频流、电子邮件以及文件传输等。宽带无线接入技术已经成为信息高速公 路不可或缺的重要组成部分，它可以有效地满足快速网络连接及联合数据、音频 及视频服务等方面的巨大需求。由于信息和多媒体应用的快速发展，将来的无线 通信将会毫无疑问地因通信系统的需要而继续经历巨大的变化。过去的几十年， 大部分工作集中在找到可靠的无线通信技术来满足无线环境的挑战。因为我们已 经开发了很多基于网络协议( i p ) 的高数据率的无线网络，现在需要更好的技术 来有效处理时i 日j 离散无线移动环境问题，并且满足不同的服务质量要求( q o s ) 。 下一代移动宽带无线网络因为需要抑制严重的多径衰落，上述技术尤为重要。因 此，需要有效的、先进的抗多径接入技术。 未来无线系统中，正交频分复用( o f d m ) 、时域均衡单载波调制以及频域均 衡单载波调制技术是可以支持宽带无线多媒体通信的三种接入技术。尤其是，由 于其频谱有效性及消除多径传播影响的作用，o f d m 是一种鲁棒性极高的高速数 据传输的有效技术【1 】- 【4 】。然而，o f d m 技术存在其固有的问题，例如，严重的 峰均功率比( p a p r ) 并且要求较大的峰值功率 5 。另外，由于信息符号是由并 行子载波传输，o f d m 对发收振荡器的不匹配及多普勒影响很敏感，会引起载波 频率抵消 4 6 】。 单载波调制是另一种可行的解决方案。传统意义上，单载波调制与时域均衡 t d e 技术结合来解决多径衰落时延扩展问题。一般而言，典型的时域均衡器包括 山东大学硕士学位论文 一个或者多个横向滤波器，其自适应抽头系数是根据多径信道影响的数据符号数 及其阶数决定的。因此，单载波时域均衡在高速率宽带无线系统中是不可实现 的，因为其复杂度以及时域均衡器要求的数字处理速度要求太高 5 】【6 】。 1 1 均衡 均衡技术是基于满足带限信道中克服码间干扰( i s i ) 提出的。随着无线通信 的快速发展，均衡技术已经被广泛认为是处理多径无线衰落信道影响的关键技 术。 一般的均衡技术分为两种：线性均衡和非线性均衡 7 】【8 】，如图1 1 0 图1 1 均衡分类 一般在信道失真不是很严重的情况下，应用线性均衡。并且，在频率响应特 性含有频谱空洞的信道条件下，线性均衡的性能不好。这是因为这种情况下，应 当在频谱空洞处分配较大的增益来弥补频率选择性，从而在接收信号是放大了加 性噪声。所以，在多径衰落信道中很少使用线性均衡。相反地，非线性均衡，可 以使得序列错误最小，是最优方案。其包括：最大似然序列检测( m l s d ) ，判决 反馈均衡( d f e ) 和预编码均衡 7 】 9 】。虽然m l s d 能够应用v i t e r b i 算法 9 】来有 效的实现，其算法应用还是有局限性的，因为m l s d 算法的复杂度随着信道状态 长度和符号维数的增长指数增大。 重要的任务是发现次优的非线性均衡器进行符号检测，在保证性能的情况下 尽可能的避免像m l s d 算法一样过高的复杂度。从来出现了判决反馈均衡。判决 2 山东大学硕士学位论文 y ( 后) 七一， _ 、，( 鬯 ，( 七) l 前馈滤波器w ( z ) 7l 7 字符检测器 l 一 输入j i 输 l 后槽浦油典、，7 、l l 及顷猫彼甭h 矽i 一 入 图1 2 判决反馈均衡器框图 反馈均衡包括一个类似于线性均衡的前馈滤波器w ( z ) 和一个反馈滤波器 v ( z ) 【1 0 】，如图1 2 所示。前馈滤波器的输入是接收序列，反馈滤波器的输入是已 判决的序列。判决反馈均衡器将已检测的符号通过反馈滤波器，来近似前馈滤波 器w ( z ) 和组合信道卷积后的i s i ，从而能在接收符号中减掉i s i 。由于v ( z ) 处于反 馈环中，因此它必须是严格因果的，否则系统将变得不稳定。反馈滤波器的作用 是近似信道的频率响应，而不是对其进行反转，所以不存在噪声增强的问题。当 信道的频谱有很多深衰落零点时，判决反馈均衡的性能一般比线性均衡好很多。 d f e 算法是数字蜂窝移动通信中常用的一种算法，其性能较好，适用于有严 重失真的无线信道，且较容易实施。但是，d f e 的重要缺点是容易造成错误的扩 散。若以前的判决出现错误，再将错误结果反馈给当前的判决，将不可避免地造 成错误的扩散传播 11 】。 预编码均衡是有效解决上述两个问题的方法。其基本思想是将d f e 的反馈滤 波器通过预编码器移到发送端。预编码均衡的主要问题是发送端必须已知信道状 态信，g 1 2 。 本小节主要讨论了均衡技术。介绍了均衡的基本原理，以及对均衡器进行了 分类。重点对常用的均衡算法如线性均衡算法、最大似然检测、判决反馈均衡算 法和预编码均衡算法进行了阐述及分析比较。 1 2t u r b o 码介绍及研究现状 香农理论证明，随机码是好码，但是它的译码复杂度太高。随机码理论多年 来一直是作为分析与证明编码定理的主要方法，但是如何在构造码型上发挥作用 却并未引起足够的重视。直到1 9 9 3 年，t u r b o 码的发现才展现了香农随机码理论 3 山东大学硕士学位论文 的重要内涵，为其应用研究奠定了基础。 c b c r r o u 等人首先于1 9 9 3 年在其经典文献中提出了一种性能和香农限只差 零点几个分贝的高性能编码，即t u r b o 码【1 3 】。j h a g e n a u e r 1 4 在其文献中，系 统的阐明了迭代译码的原理，并推导了二进制分组码和卷积码的软输入软输出 ( s i s o ) 译码算法。 t u r b o 码是信道编译码发展的必然产物，是信道编码理论与技术研究上所取 得的最伟大的技术成就，具有里程碑的意义。目前t u r b o 码的研究主要集中在以 下几个方面：t u r b o 码编码理论的研究、t u r b o 码译码算法的研究和交织器的研 究、t u r b o 码在衰落信道中的应用、t u r b o 码和其他技术的结合。其中t u r b o 码和 均衡技术的结合，产生的t u r b o 均衡技术将是本文研究的一个重点。 1 3t u r b o 均衡的研究现状 近年来，随着t u r b o 码技术的成熟，受到c b e r r o u 等人提出的t u r b o 1 3 思 想的启发，c d o u i l l a r d 等【1 5 】提出了基于单发单收系统中的t u r b o 迭代均衡的思 想，即t u r b o 均衡技术。t u r b o 均衡技术不再是均衡器和译码器相互独立，而是 采用了类似t u r b o 译码迭代译码的方式，将均衡与译码有机的结合起来，这样来 消除由多径效应引起的符号间干扰( i s o 以达到理想的性能。 t u r b o 均衡的主要原理是将i s i 信道( 等价于一个卷积码) 、交织器及信道编 码的组合看成是一个串行级联的卷积码，在接收端进行迭代的均衡和译码，把用 于解码的两个并列的软输入软输出解码器中的一个稍作修改，将其原来的解码功 能改为软输入软输出的均衡功能，另一个软输入软输出解码器仍用于解码。这样 该均衡器与解码器都可以处理输入的先验信息，输出处理后的更为精确的后验信 息，而输出的后验信息经过交织或解交织后，又可作为彼此的先验信息，实现外 信息在均衡器和信道译码器之间的迭代传递，从而获得近似最优的性能 1 3 1 5 1 6 。 1 4 本论文的主要工作 考虑一个如图1 3 所示的通信系统 1 7 】，该系统也是本论文中的参考系统。图 4 山东大学硕士学位论文 图1 3 点对点通信系统。 中的通信系统是一个点对点的通信系统，也就是说仅存在一个单一的发送端和接 收端。今天许多通信系统还采用了多发送端和多接收端的情况，这种通信信道称 之为多输入多输出( m i m o ) 信道。在信道中为了区分不同的发送端，多址方式 必须被采用，例如频分多址( 嗍) 或时分多址( ) m a ) 技术。大多数的广播 系统采用的是f d m a ，而无线或光纤通信通常采用t d m a 。无线通信系统中存在 大量的发送端( 移动用户) 和单一的接收端( 基站) ，一般来说朝向基站的通信 链路称之为上行链路，而朝向移动用户们的通信链路称之为下行链路。一般来说 采用什么样的多址方式是根据一个系统的要求和标准，在某些系统中经常联合考 虑f d m a 和t d m a ，例如全球移动通信系统( g s m ) 、码分多址( c d m a ) 以 及无线局域网( w l a n ) 的标准i e e e8 0 2 11 b 中。很多系统，如g s m 或通用移 动电信系统( u m t s ) ，允许移动用户在基站的控制下移入或移出小区，这类系 统又被称之为蜂窝系统。 上述通信信道通常都假设是正交的，也即在一个信道中传输的数据不会受到 其他信道中传输数据的影响。在这个假设条件下，m i m o 信道就可以简单的看成 是多个并行的点对点信道的打包，而点对点信道正是本论文研究的重点。 本论文所涉及到的主要通信系统部分描述如下： 1 本论文中通信信道模型采用的是离散时间的，也即输入信道的数据是一个 离散序列，而不是时间连续函数。这个信道包含有符号间干扰( i s i ) 和加 性噪声，也就是说一个输出信号不仅仅依靠一个输入信号( 也即和多个输 入信号有关) ，并且被随机的加性噪声污染。影响一个输出信号的输入信 号的个数通常称之为信道长度。本论文中，我们只考虑信道存在有限长、 线性i s i 的情况，即一个输出信号是有限个输入信号的线性组合。这个线 性组合的权重，也即所谓的信道i s i 系数，假设在发送端和接收端都是已 知的。 2 本论文研究分析了t u r b o 均衡算法的基本原理，介绍多种均衡算法基本原 5 山东大学硕士学位论文 理，并分析不同均衡算法的复杂度，通过系统仿真比较不同算法的误比特 率( b e r ) 性能。 3 针对目前迭代算法的广泛应用，本论文主要研究如何降低迭代算法的实现 复杂度及提高其系统性能，并且通过外部信息转移图( e x i t ) 分析其收敛 性。 下面给出本论文的基本框架和每一章的简单阐述。 第二章给出了t u r b o 码及t u r b o 均衡算法基本原理，本章首先大体介绍了 t u r b o 码的基本原理及编译码算法，接着介绍了t u r b o 均衡的基本框架及两种最 常用的t u f b o 均衡中的均衡算法( 最大后验概率( m a p ) 和线性最小均方误差 ( l m m s e ) 算法) ，然后介绍一种复杂度明显降低，但性能与最优算法相近的均 衡算法。最后分析比较三种算法的复杂度，并给出其仿真性能曲线。 第三章我们在理解和深入研究t u r b o 均衡框架的基础上，提出了一种改进的 迭代接收方案。这种方案应用e x i t 图分析其收敛性，并据其收敛性好坏选择迭 代方案，从而使得性能更优。为了降低迭代算法的复杂度，该方案中采用优化均 衡算法来实现。 第四章提出一种基于预编码技术的混合迭代接收方案。通过理论分析和仿真 结果我们可以得知，引入预编码的混合迭代方案会得到非常好的b e r 性能，甚 至远远超过了无预编码时该系统的上限。在计算复杂度上，通过合理选择参数可 以使得其没有任何的增加，等于无预编码时的复杂度。最后，根据仿真结果提出 一种自适应的迭代方案，即根据不同信噪比情况下有无预编码的性能差异自适应 的选择不同方案，从而使得在任何信噪比条件下的性能优化。 第五章我们主要研究了最近新技术一一高频谱效率的重叠编码复用技术 o v c d m 的原理及性能分析，并将其应用到本文采用的无线信道条件下进行性能 分析及仿真。 第六章的结论和展望总结了全文的主要工作和一些重要结论，并讨论了进一 步的研究方向。 6 山东大学硕士学位论文 第二章无线通信系统中的t u r b o 技术 2 1 概要 1 9 9 3 年，c b e r r o u 首次提出了一种新型信道编码方案t u r b o 码 1 3 1 ，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，从而获得了接近 s h a n n o n 理论极限的译码性能。 t u r b o 码又称并行级联卷积码( p c c c ，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 l c o d e ) ，巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起，在实现随机编码思想的同 时，通过交织器实现了由短码构造长码的方法，并采用软输出迭代译码来逼近最 大似然译码。 t u r b o 码的出现，不仅提供了一个性能优越的编码方法，同时迭代的思想也 为众多通信问题提供了解决方案，比如t u r b o 均衡，迭代信道估计和同步，多用 户检测等。 2 2t u r b o 码基本原理 2 2 1t u r b o 码编码 t , 0 一 ” 编码器1 c l 截 1r 交织器 断 编码器2 r “ 图2 1t u r b o 码的基本结构 如图2 1 所示 1 8 】，信息位u 进入编码器l 产生校验位q ，经交织器后进入 编码器2 产生检验位c 2 。因t u r b o 码是系统码，故信息位直接输出c o = ，输入 一位信息可产生三位输出。如果没有截断，图中t u r b o 码码率为l 3 。若采用截 断，可周期性地删除一些校验位，例如，要获得l 2 码率，可删除编码器1 的奇 7 山东大学硕士学位论文 数校验位和编码器2 的偶数校验位。编码器l 和编码器2 都采用循环系统卷积码 ( r s c ) ，通常，两个编码器是相同的。 交织器原始作用是抵抗突发错误。t u r b o 码中，交织器可以减少分量编码器 输出校验序列的相关性并提高码重，从而实现t u r b o 码近似随机编码。 2 2 2n 曲o 码译码 图2 2t u r b o 码译码器结构 两个编码器相同，则译码器也相同如图2 2 。交织器和编码器中的交织器也 相同，解交织器和交织器是配套的。每个分量译码器都产生一个外部信息 三。，( x 。) 或：。( x 。) ，迭代过程中传递该外部信息。在第一次译码时，没有 三：。( 以) ，所以译码器l 的输入，只有接收信息位一和对应于编码器l 产生的校 验位的接收比特y 最，它们经译码器后计算出外信息厶。( 以) 。编码器端由编码器 2 产生的校验位是经交织后的信息位产生的。因此译码时，译码器2 的输入信息 也要经过交织。所以译码器2 的输入是y 磊和经过交织后的系统位以以及 三，( 以) 。译码器2 的输出经解交织后作为下一次的输入再传递给译码器1 ，这样 就形成了迭代过程。达到预定的迭代次数后，译码器2 的输出经过解交织就可以 得到信息比特的对数似然比( l l r ) 。 8 山东大学硕士学位论文 2 2 3t u r b o 码译码算法 m a p 译码算法 计算条件概率兄：= p r x 七= il y v 后= 1 ，v f o ，1 ) 。接收 序列为y t = 饥，y 2 ，y ) ，信息序列x ，的概率。计算使得最大的i 值 1 3 。 定义对数似然比如下： 地) 缈g ( 嬲) s , x t = l ，y y ) p ( 硝) s , x t = o ，y ：、徊l y ：、 应用贝叶斯公式及全概率公式化简( 2 2 ) 式，得： a ( x k ) = l o g i 崦 r+p ( s 川= j ：y ? - 1 ) p ( = l ，儿，y k u 1 s k 一。= s ，y ：叫) p ( ) p ( s 川= s ，少一) p ( 矗= o ，y k ，y k u + l & 一l = s ，y p) p ( y u ) p ( s k l = s ，薪一) p ( x k = l ，魄，y 嚣l s h = s - ) p ( y ) p ( s 川= j ，y ) p ( x k = o ，几，。s h = s g p ( y ) 由于尸( j ，) 相同及 p ( x k= x ，y ，y 鲁l s 女一l = 5 ) = p 、，。n + l s i l ( 2 1 ) ( 2 2 ) = s ，毛= x ，y t ) p ( 吒= x ，y k 瓯一l = s - ) = p ( 蝶i s i = s ) 尸( 气= 工，y k s = s - ) ， 应用b c j r 算法 1 9 1 q b ，对前向递归向量，后向递归向量及状态转移概率的定义 得到： 吃( s ) 垒只& = s ，y ：) 一吼一。o 阢( s ，s ) 展一。( s o ：a 以s h = s ) = 展( s ) 以( j ，5 ) y k ( $ t , s ) 垒尸( 气= z ，儿靠一i = s 9 则( 2 3 ) 可写为 = 尸( 以s , 一l = s ，x k = x ) p ( x k = x s k i = s i ) ( 2 3 ) 9 丝叫 笪f 一广 l q 一址 嚣弦 ，=r。l g g o 0 p：1 山东大学硕士学位论文 a ( x , ) = l o g i 一。o - ) 展( s ) 以o j ) 一。( s g p k ( s ) r k ( s ，j ) ( 2 4 ) t u r b o 码是系统码，其编码司以分为系统码和校验码两部分，即 y 。= ( 一，睇) ，其中以表示系统位，鲜表示校验位。在给定了吒= f 的条件下， 残和群是统计独立的，因此状态转移概率函数可分解为两部分，另外系统位与 状态无关，只与输入以有关，即 p ( y k s k 一= j 以= x ) = e ( y ；l x k = i ) p ( y ：x k = f ，屯= j ，& 一= s ) ( 2 5 ) 由( 2 3 ) ，( 2 4 ) ，( 2 5 ) 可得 帅崦制 e e p ( y ：i 工= l ，。= s ) 一。( s ) 屈( s ) + 1 0 8 袁弃而面i 可瓦两丽 ( 2 6 ) = ( t ) + 丘( 吒) + 丘( 以) 其中，t ( 气) 即为外部信息，用来在两个分量译码器之间传递。即 l 2 ( _ ) = l 。，( x k ) ，和厶( _ ) = 厶，( 以) 。 注意：推导过程应用马尔可夫过程的性质：如果k 时刻的状态已知，则k 时 刻以后的输出不依赖于k 时刻前的输出。 l o g - m a p 算法及m a x l o g - m a p 算法 l o g m a p 2 0 算法是m a p 算法的一种转换形式，实现要比m a p 算法简单。 为推导l o g m a p 算法，需要把m a p 算法中的变量都转化为对数的形式，从而把 乘法运算都转化为加法运算。同时译码器的输入输出相应地修正为对数似然比形 式，再把得到的算法进行必要必要的修改就得到l o g m a p 算法。 在l o g - m a p 算法中， ( s ) = a l o g ( a k ( s ) ) 孱一( s i ) ：al o g ( 展一。0 - ) ) ( 2 7 r k ( s ，s ) 垒l o g ( y i ( s ，s ) ) 1 0 山东大学硕士学位论文 贝u 前后向递归向量计算公式变为： ( s ) 垒m a x ( 一- ( j ) + 以( s t ，s ) ) ( 2 8 ) 展一。( s 5 垒m a x ( 麒o ) + 以( s ：s ) ) 其中由雅克比( j a c o b i a n ) 对数等式1 0 9 ( e x + 矿) = m a x ( 石，j ，) + 1 0 9 ( m + e + - y 1 ) 得 到蕊( x ，y ) = m a x ( x ，y ) + 1 0 9 ( 1 + e - k y 1 ) 故后验概率可表示为： a ( ) = m 画a x ( c t k _ 。面s + 丽+ 丽两) 一m 画a a x ( a k _ l ( s s ) + 丽+ 丽丽) ( 2 9 ) 而m a x l o g m a p 算法【2 0 】是将m a p 算法中雅克比对数等式中的 l o g ( 1 + e - b 一，i ) 忽略不计，即令磊轰( 工，y ) = m a x ( x ，y ) ，故m a x l o g - m a p 算法相对 于l o g - m a p 算法降低了复杂度，但同时也使得性能有所损失。 改进的m a x l o g - m a p ( i - m l m ) 算法 因l o g m a p 算法应用雅克比对数等式 蒜( x ，y ) = m a x ( w ) + 1 0 9 ( 1 + e - 卜一) ( 2 1 0 ) 而m a x l o g m a p 算法中是将上式中的对数部分省略，这样虽然大大降低了算法 的复杂度，但是也会使性能降低太大。文献 2 1 1 提出了一种改进算法，既可以 很大程度上降低l o