（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统中turbo码的实现.pdf

摘要 7t u r b o 码具有接近s h a n n o n 限的性能，它的出现被看作是信道编码理论发展史 上的一个单程碑，它使人们设计信道编码的方法从增加码的最小汉明距离转向了减 小低重量码字的个数。t u r b o 码由于其优越的性能被第三代代移动通信系统采用作 为纠错编码方式。； 本文是作者在参与第三代移动通信系统的三达标准之一的t d s c d m a 标准 的研究开发中完成的。主要介绍了t d s c d m a 标准和其技术特点以及t u r b o 码的 发展现状和其应用；同时介绍了t d ，s c d m a 系统中信道编码技术和t u r b o 码的 c o s s a p 实现。重点介绍了t u r b o 码的编译码原理和m a p 迭代译码算法以及交织 器原理，并进一步介绍了作者自己设计的一种新的交织器魔方交织器的设计。 最后对瑞利信道以及瑞利信道中的译码修正算法进行比较详细的介绍。 关键字：t u r b on vt d s c d m a 迭代译码交织器 a b s t r a c t t u r b oc o d e si san e wc l a s so f e r r o r c o r r e c t i n gc o d e s t h a tc a na p p r o a c ht h es h a n n o n b o u n d i ti sc o n s i d e r e da so n eo ft h em o s t e x c i t i n g a n d p o t e n t i a l l yi m p o r t a n t d e v e l o p m e n t s i nr e c e n t y e a r s ，i t s i n v e n t i o nh a s c h a n g e d t h ec o n v e n t i o n a l d e s i g n p r i n c i p l e so ft h ec o d i n gs c h e m ef r o mt h ea t t e m p tt oi n c r e a s et h em i n i m u mh a m m i n g d i s t a n c eo ft h ec o d et ot h e g o a l o fr e d u c i n gt h en u m b e ro fc o d ew o r d sw i t h1 0 v q h a m m i n gw e i g h t s f o ri t se x c e l l e n td e c o d i n gp e r f o r m a n c e ，i th a sb e e na d o p t e da st h e e r r o r - c o r r e c t i n gc o d i n gs c h e m ei n3 ”m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i st h e s i sh a sb e e nc o m p l e t e dd u r i n gt h e p e r i o dw h e n i p a r t i c i p a t e d i nt h e d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho ft d s c d m as t a n d a r d w h i c hi so n eo f t h r e es t a n d a r d so f t h i r dg 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 t h et h e s i sd e s c r i b e s d e v e l o p m e n ta n d t e c h n o l o g y c h a r a c t e r so ft d s c d m as t a n d a r d a n d p r e s e n t s t h e b a c k g r o u n da n d a p p l i c a t i o no ft u r b oc o d e a tt h es a m et i m et h i sp a p e rg i v es o m ei n t r o d u c t i o na b o u t c h a n n e lc o d i n gt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o no ft u r b oc o d e 晰t hc o s s a pw h i c hi sa c o m m u n i c a t i o ns i m u l a t i o nt 0 0 1 t h ep a d e rt a k e st h ee m p h a s i so nt h ep r i n c i p l e so f e n c o d e ra n dd e c o d e ro ft u r b oc o d e a n d p a r t i c u l a r l y d e s c r i b e st h e p r i n c i p l e s o f i n t e r l e a v e r b a s e do n t h e s e ，t h ep a p e rg i v e sam e t h o dt od e s i g nan e wi n t e r l e a v e rn a m e d m a g i ci n t e r l e a v e r i nt h ee n d ，w ed i s c u s s e dt h em o d e lo fr a y l e i g hc h a n n e la n dt h e a d j u s t e dd e c o d i n ga l g o r i t h mo f t u r b oc o d ei nr a y l e i g hc h a n n e l k e y w o r d ：t u r b o c o d et d - s c d m ai t e r a t i v ed e c o d i n gi n t e r l e a v e r 创新性声明 y 。t 0 5 2 1 1 8 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，论文巾不 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刑本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名 墨璺! 竖r 期卫塑i ! ! ：， 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：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布沦文的全部或 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。 本人签名： 墨q ! 垦日期卫型i ! l 王 导师签名 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍中国提出的第三代移动通信标准t d s c d m a 系统综述及其主要技 术特点，然后从软判决译码的角度概括信道编码理论和技术的发展，在此基础上 阐述了t u r b o 码的提出与当前研究状况及其当前的应用方向最后给出全文的内 容轮廓。 1 1t d s c d m a 系统综述 电信、计算机和娱乐业的不断融合，要求第三代的移动通信系统能够在移动 环境下自由地进行包括声音、数据和动态图像的多媒体通信。市场和技术的双重 驱动，为第三代移动通信系统的顺利构筑提供了基础。第三代移动通信系统的重 要特点及目标是全球化( 提供全球海陆空三维的无缝覆盖，支持全球漫游业务) 、 综合化( 提供多种语音和非话业务，特别是多媒体业务) 和个人化。国际移动通 信系统i m t 2 0 0 0 ( 工作于2 0 0 0 m h z 频段) 就是应此而提出的。1 9 9 9 年1 1 月召开 的国际电联芬兰会议确定的第三代移动通信无线接口标准，是移动通信领域的一 个重要里程碑。会议确定了5 个i m t 一2 0 0 0 技术提案的规范，包括i m t d s ( d i r e c t s p r e a d ) 、i m t - m c ( m u l t i c a r r i e r ) i m t - t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g ) 、i m t - s c ( s i n g l ec a r r i e r ) 及i m t f t ( f r e q u e n c yt i m e ) 。这些技术标准涵盖的几种技术为： i m t d s 包括了u i r a f d d ( w c d m a ) ；i m t - m c 由c d m a 2 0 0 0 构成：i m t t d d 包括u t r a t d d 和t d s c d m a 。前3 种提案采用了c d m a 技术，是第三代移 动通信发展的主流：后两种提案采用的是t d m a 技术，使现有的第二代t d m a 网 络提供部分的第三代业务。中国提交的t d s c d m a 属于c d m at d d 模式，这是 中国在百年的通信史上第一次制定了国标标准。对中国通信业来说，这是一个重 大的突破。 在此让我们来看看中国移动通信的发展现状 移动通信是当代通信领域发展最快、前景最好的部分。中国的移动通信自1 9 8 7 年投入运营以来，经过十余年的快速发展，现已形成数网并存的局面：第一代模 拟蜂窝移动网t a c s 已呈保持状态，并逐渐为g s m 网让出频率：第二代数字网络 有g s m 和c d m a 两种，而g s m 自1 9 9 5 年引入后，发展迅猛，现已发展成世界 上最大的g s m 网络：移动用户总数居全球第三位。 具体而言，随着移动通信技术和i n t e m e t 技术的发展，以及生活水平的提高， 人们对移动和无线接入i n t e m e t 业务的需求不断增长，这一切导致中国的移动通信 发展呈现以下态势： g s m 网络世界最大，并且以最快速度增长： t d - s c d m a 系统中t u r b o 码的实现 方向 9 0 0m h z 频率资源紧张； d c s 一1 8 0 0 难以解决覆盖问题； 在相当长的一段时间内，话音和低速数据业务仍是移动通信的主导业务； 移动通信和i n t e r n e t 技术的结合产生的移动多媒体技术将是移动通信的发展 无线i p 业务将迅速增长。 t d s c d m a 系统也正是基于我国移动通信现状提出的，t d s c d m a 作为 c d m at d d 的一种，具备c d m at d d 的一切特点。c d m at d d 采用了f d m a 、 t d m a 和c d m a 技术，如图1 所示。c d m at d d 上行和下行链路在同频点、 不同的时隙( t i m es l o t ) 进行双工通信。这不同于在不同频点上进行双工通信的 f d d ( f d d 是在上下对称的一对频点上进行双工通信) 。由于c d m at d d 在同一 频点上进行双工通信，这就使得上、下链路的信道特性基本一致，这才有可能保 证智能天线等先进技术的采用。c d m a t d d 的时隙按上、下行链路所需的数据量 动态分配，这不仅仅适合于对称的如传统的语音业务，尤其适合于日益增长的非 对称的实时、非实时数据业务，如多媒体、互联网等业务。动态地按需分配时隙， 可以使得频谱资源得以最大、最优地利用。由于t d d 有着这些优点，可以预言， t d d 不仅是第三代移动通信的重要手段，还将是第四代移动通信主要采用的方式。 a b l i r a h 抽竦h 婶铡s , - c t l t a 忡d i i il m * m - t i mm m 嘣hh 曲 墨l i t d - s v , a 暴用内姒j 璜队和c 喇“技术 t d s c d m a 除了具备c d m at d d 的所有特点外，还采用了以下的技术，保证 t d s c d m a 有着其独特的特色和优点，这也是t d s c d m a 提案被国际电联接受 的重要原因。 1 1 智能无线( s m a r ta n t e n n a ) t d s c d m a 系统中所用的智能天线采用波束成形技术，方向图随移动台的移 动而动态跟踪( 基站装配智能天线) 。由于它的波束很窄，对其他用户的干扰也很 小，因而大大提高了系统容量。同时，基站的发射功率也大大降低。另一方面， 第一章绪论 由于t d s c d m a 系统中的波束很窄，下行链路的多径问题也得到了很好的解决。 1 2 上行同步( u p t i n ks y n c h r o n i z a t i o n ) t d s c d m a 系统中，上行链路和下行链路一样，都采用正交码扩频。移动台 动态调整发往基站的发射时间，使上行情号到达基站时保持同步，保证了上行信 道信号的不相关，降低了码问干扰。这样，系统的容量由于码间干扰的降低大大 提高，同时基站接收机的复杂度也大为降低。 1 3 联合检测( j o i n td e t e c t i o n ) 联合检测是t d s c d m a 系统中使用的又一重要技术。在基站侧，由于信号从 移动台多径到达基站，因此上行同步技术只能保证主径在一定范围内的同步。联 合检测技术把同一时隙中多个用户的信号及多径信号一起处理，精确地解调出各 个用户的信号。在移动台侧，基站智能天线的波束成形，虽然极大地降低了多用 户干扰的强度，但是多用户干扰依然存在，尤其是当用户的位置非常靠近时，多 用户干扰问题仍很严重。联合检测技术能很好地解决多用户干扰问题。 1 4 软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 软件无线电是近几年发展起来的技术，它把许多以前需要硬件实现的功能用 软件来实现。由于软件修改较硬件容易，在设计、测试方面非常方便，不同系统 间的兼容性也易于实现，所以这一技术在t d s c d m a 系统中也被采用。 1 5 接力切换( b a t o nh a n d o v e r ) 由于t d s c d m a 系统中智能天线的使用，系统可得到移动台所在的位置信 息。接力切换( b a t o n h a n d o v e r ) 就是利用移动台的位置信息，准确地将移动台切 换到新的小区。接力切换避免了频繁的切换，大大提高了系统容量。在切换时可 根据系统需要，采用硬切换或软切换的机理。 1 6 低速率模式( l o w c h i p r a t e ) t d s c d m a 系统码片速率( c h i p r a t e ) 采用的是1 2 8 m h z ，为u t r a t d d 码片速率的i 3 ，这有利于和u t r a t d d 系统的兼容。低的码片速率，在硬件 上也容易实现，可大大降低成本。另外，1 2 8 m h z 码片速率的单个载频占用1 6 m h z 的带宽，较之5 m h z 的u t r a t d d 和u t r a f d d 小，由于占用带宽窄，在频 谱安排上有着很大的灵活性。对于利用将来要空置出的第二代频谱开展第三代业 务，可有效地使用日益宝贵的频谱资源( g s m 频点为2 0 0 k h z 间隔，8 个连续的 g s m 频点可安排一个t d s c d m a 载波) 。安排1 6 m h z 的t d - s c d m a 系统，与 t d - s c d m a 系统中t u r b o 码的实现 安排5 m h z 的u t r a t d d 和u t r a f d d 相比就容易得多。 2 第二代向第三代的平滑演进 中国第二代系统采用的是g s m 系统，系统几乎覆盖了全国。面对如此庞大的 g s m 网络，如何向第三代过渡，是革命还是演进? 如果不采用第二代向第三代平 滑演进的策略，投资庞大的第二代网络将造成极大的浪费，而采用则对第三代业 务的需求来说也是一个平滑演进的过程。另外，直接建立全套的第三代网络势必 存在一定的风险。如果系统支持第二代向第三代的平滑演进，系统和业务的发展 同步，那么，此系统将是中国向第三代过渡的首选。考虑到中国第二代网络的情 况，t d s c d m a 系统设计的一个重要思想就是建立在g s m 网络基础上逐步向第 三代系统过渡，以减少风险和首期投资( 而在引进其它任何一种第三代系统，如 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 时，都需要一步到位，建立一个崭新的网络，包括基站、 湖l r $ k 二1 1 一i 湖卜厂 矧= 一：j 菱 僵 抛 一， 6 1 秘肛缸 吾 n x l eb 竭k 粕 御 _ 圣 1 5 m i h 霸2 秉甩一懿埘 茂向鹭的早精蛀矗 基站控制器及核心网投资将是巨大的) 。 目前，给运营商带来利润的同时又困扰运营商的一个问题是：每月增长约1 0 0 万移动用户，这样下去，- - = 年后，分配给g s m 的频谱资源将全部用完，也就是 g s m 系统容量达到极限。g s m 系统将无法解决这个问题。基于这一考虑，在 t d s c d m a 系统建网的第一阶段，基于g s m 网络，只需建立t d s c d m a 基站 ( b t s ) ( 利用第三代频谱) ，t d t d m a 基站通过a b i s 接入g s m 的b s c ( 如图2 上半部分所示) ，通过t r a u 提供话音业务( g s m 网络不需做任何修改) 。由于 t d s c d m a 系统的频谱利用率为g s m 系统的3 5 倍，建立t d s c d m a 基站， 利用第三代频谱，解决了g s m 系统容量不足问题特别是解决了在g s m 网络中 用户密度大的地区的容量不足问题。t d s c d m a 采用t d d 模式，由于t d d 模式 的非对称性，比原有的g s m 系统更适合提供数据业务，数据速率也比g p r s 提供 第一章绪论 的速率高，t d s c d m a 基站通过g s m 网络的s g s n 提供高达3 8 4 k b s 的各种速 率的数据业务。 在网络的第二阶段，g s m 网络和第三代网络共存，基站控制器( b s c ) 被连 接到无线网络控制器( b n c ) ，接入第三代系统交换机( u m s c ) 。最终，网络升级 到完全基于第三代的网络，提供所有第- 4 2 的业务。这一平滑的演进过程，减少 了投资和风险。 1 2 t u r b o 码的发展和应用状况 1 2 1 t u r b o 码编译码方案的提出 s h a n n o n 的信息论告诉我们，分组码和卷积码只有在分组长度n 趋于无穷时， 其性能才能接近s h a n n o n 限，但是此时它的译码却非常复杂。因此，多少年来随 机编码理论一直被用作为分析与证明编码定理的主要方法，而如何利用它在构造 码上发挥作用却并未引起人们的足够重视。直到1 9 9 3 年，t u r b o 码的发现，才较 好地解决了这一问题，为s h a n n o n 随机码理论的应用研究奠定了基础。 l = $ h a n n n on 。b o a u “i j i ， 1 呱：， 7 ) w i t h 7 眦o ：j ： m l 严譬6 m s b c h ( 2 5 5 2 3 ) 冬 c o d e s 矗s ( 2 5 5 2 2 1p f 6 犯l 7 ) e b 州o “p ) 图3a w g n 信道中的码率与s h a n n o n 限 t u r b o 码，又称并行级连卷积码( p c c c ) ，是由c b e r r o u 等在i c c 9 3 会议上提 出的【2 4 】。它巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起，实现了随机编码的思想， 同时，采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码。文【2 4 】中的模拟结果表明，如果 采用大小为6 5 5 3 5 的随机交织器，并且进行1 8 次迭代，则在e 0 0 7 d b 时， 4 2 t e 0 2 d ， o (10dcx奄8j。_口。u i d b c d m a 系统中1 u r b o 鸦的实现 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( b e r ) 1 0 ，达到了近s h a n n o n 限的性能( 1 2 码率的s h a n n o n 限是0 d b ) 。因此，这一超乎寻常的优异性能，立 即引起信息与编码理论界的轰动。为了更清楚地说明t u r b o 码的性能，我们在图3 中给出了t u r b o 码及其它编码方案的性能比较，从中我们可以看出t u r b o 编码方案 的优越性。 由于t u r b o 码的上述优异性能并不是从理论研究的角度给出的，而仅是计算机 仿真的结果。因此，t u r b o 码的理论基础还不完善。后来经过不少人的重复性研究 与理论分析，发现t u r b o 码的性能确实是非常优异的。因此，t u r b o 码的发现，标 志着信道编码理论与技术的研究进入了一个崭新的阶段，它结束了长期将信道截 止速率r 。作为实际容量限的历史。 需要说明的是，由于原t u r b o 编译码方案申请了专利，因此在文 2 4 1 中，作者 没有给出如何进行迭代译码的实现细节，只是从原理上加以说明。此后，p r o b e r t s o n 2 7 对此进行了探讨，对译码器的工作原理进行了详细说明。人们依此进 行了大量的模拟研究。 t u r b o 码的提出，更新了编码理论研究中的一些概念和方法。现在人们更喜欢 基于概率的软判决译码方法，而不是早期基于代数的构造与译码方法，而且人们 对编码方案的比较方法也发生了变化，从以前的相互比较过渡到现在的均与 s h a n n o n 限进行比较。同时，也使编码理论家变成了实验科学家。 关于t u r b o 码的发展历程，c b e r r o u 等在 2 6 冲给出了详细的说明。因为c b e r r o u 主要从事的是通信集成电路的研究，所以他们将s o v a 译码器看作是“信 噪比放大器”，从而将电子放大器中的反馈技术应用于串行级联的软输出译码器， 并且为了使两个译码器工作于相同的时钟，以简化时钟电路设计，就提出了并行 级联方式，这导致了t u r b o 码的发明。 尽管目前对t u r b o 码的作用机制尚不十分清楚，对迭代译码算法的性能还缺乏 有效的理论解释，但它无疑为最终达到s h a n n o n 信道容量开辟了一条新的途径， 其原理思想在相关研究领域中具有广阔的应用前景。目前，t u r b o 码被看作是1 9 8 2 年t c m 技术问世以来，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。 1 2 2 t u r b o 码的研究状况 1 9 9 3 年t u r b o 码的论文发表之后，人们的首要任务就是重复与理解b e r r o u 等 的结果。目前人们已经能够验证与在一定程度上解释t u r b o 码的原理，但是由于随 机交织器的存在，使得t u r b o 码的理论分析比较困难。因此，自从t u r b o 码提出以 第一章绪论 来，尽管有关t u r b o 码的研究成果层出不穷，但绝大多数是基于计算机模拟的，其 理论体系还很不完善，对t u r b o 码的本质仍缺乏全面透彻的认识。到目前为止，最 有效的成果是1 9 9 6 年发表在i e e et r a n s o ni n f o r m a t i o nt h e o r y 上的两篇论文 【2 2 1 2 8 】。在文【2 2 】中，j h a g e n a u e r 等首次清晰地阐明了迭代译码的原理，系统地 给出了二进制分组码与卷积码的软输出译码算法，包括m a p 与a p r i o r i s o v a 算 法；提出了基于相对熵的迭代停止判决条件：并基于计算机模拟结果指出，在低 码率时由卷积码构成的t u r b o 码的性能较好，而在高码率时，由分组码构成的t u r b o 码的性能较好。在文 2 8 】中，s b e n e d e a o 等首次提出了均匀交织器( u n i f o r m i n t e r l e a v e r ) 的概念，并基于此，从码的重量枚举函数出发，利用联合界( u n i o nb o u n d l 技术给出了t u r b o 码的一个在所有交织器上平均的性能上界，启发式地说明了随着 迭代次数的增加，迭代译码收敛于最大似然译码，这是首次系统地对t u r b o 码进行 性能分析。在该文中，作者还探讨了分量码与交织器对t u r b o 码性能的影响，提出 了交织增益的概念，指出增加交织深度可以减少t u r b o 码在低比特错误概率( b e r ) 时的“错误平层( e r r o rf l o o r ) ”效应。 1 2 3t u r b o 码在无线系统中的应用 t u r b o 码相对以前的编码方式大大提高了功率的利用率，因此它特别适用于信 噪比受限的信道，同时t u r b o 码在衰落信道中也具有很好的编译码性能。对于第三 代移动通信系统中，人们选择t u r b o 码作为它的主要编码方式，这主要是由于t u r b o 码的优越性能，以及现代计算机技术的发展，特别是计算机处理能力的飞速发展。 通信系统的设计和相应的信道是密切相关的。信道的特性我们可以用功率、 带宽以及要求限制的干扰来描述。由于t u r b o 码的应用时要求信号经过信道传输后 能满足一定的服务质量，这种服务的质量往往用误比特率以及译码延时来衡量， 在系统应用中还有一种要求考虑的是系统成本，系统的成本与系统中所应用的算 法的复杂度是密切相关的。 无线通信系统可以粗略分为空间通信系统和地面移动通信系统，空间通信系 统又可以进一步分为深空通信系统和卫星通信系统。深空通信系统由于要求考虑 能源和重量，所以要求天线尽量能简单且重量要轻，同时要求发射功率尽可能低。 但是深空通信没有带宽和延时的限制，通常有很宽的带宽资源可以利用，采用高 增益的天线进行空间分集。由于带宽的要求很低，因此可以利用低码率的t u r b o 码， 如：不加打孔技术的1 3 码率的t u r b o 码，甚至由3 个或3 个以上分量编码器级联 生成更低码率的t u r b o 码。由于星际之间的通信需要很长时间的延时，所以象码长 为6 5 5 3 6 的t u r b o 码是可用的。其次，由于延时要求很低，因此可以通过增加迭代 次数来提高译码性能。 t d s c d m a 系统中t u r b o 码的实现 与深空通信系统相似，卫星通信系统由于对卫星和地面站都要求发射功率低， 天线小，也是信噪比受限系统。然而它不象深空通信系统，它的带宽是有限的， 通常有好几个用户同时占用同一卫星频谱资源，这就要求每一用户在所占的频带 内能有效通信。为提高带宽的有效利用，往往采用联合t u r b o 编码、多维信号同时 传输。如：t r e l l i s 编码调制。对一定的延时卫星通信系统是可以接受的，但是相对 深空通信系统，它的要求相对要更高一些。 移动通信系统对t u r b o 码的应用来说是最具挑战性的通信系统，因为它对系统 的要求是最高的。移动通信系统由于要求移动终端维持尽量长通信时阳j ，同时又 要求最小的多址干扰，所以对基站和终端的发射功率都是严格受限的。而且移动 通信系统是越来越多的用户共享有限的频带资源，其频带资源的极其紧张。移动 通信信道存在瑞利衰落、由基站和终端之间建筑物引起的阴影效应以及由于建筑 物的反射引起的发射信号多径传播，因此移动通信信道相比空间通信系统要求更 加苛刻，其次移动通信系统要求低时延，在应用t u r b o 码的条件下要满足低时延条 件是非常具有挑战性，对于通常的移动通信系统，一般使用小分组，如在尽一9 5 3 系统中t u r b o 编码所用的分组长度为1 9 2 比特，译码迭代次数也是非常少，它与相 同译码复杂度的卷积码相比，性能有一定的提高。 t u r b o 在第二代移动系统中如巧一9 5 3 系统已经得到了应用，在第三代移动系 统中，其编码关键技术就是t u r b o 码编码技术，现在三个第三代移动通信系统候选 标准：欧洲的w c d m a ，美国的c d m a 2 0 0 0 ，以及中国的t d s c d m a ，他们所采 用高速率编码技术的都是t u r b o 码编码技术。t u r b o 码编译码技术的应用在国外已 经比较成熟，但国内对t u r b o 码的应用还在理论和仿真层次上。特别是第三代移动 通信竞争如此激烈，谁能真正掌握关键技术，谁就在竞争中处于有利位置。高通 公司已经开发出了编码、译码的芯片，现在已经开始投入实用。国外还有一些大 型通信公司也在t u r b o 的实用方面作了许多工作，国内的通信公司在这些方面有一 些欠缺。 在t u r b o 码的应用中还存在有如下一些问题需要解决： 1 如何使t u r b o 译码过程的延时尽量少： 2 如何克服n 曲。译码中存在的错误平层； 3 在实际实现中如何尽量减少复杂度。 本文内容安排 第二章：介绍t d s c d m a 系统中的信道编码和复接结构以及t u r b o 码的 c o s s a p 的实现。 第三章：介绍t u r b o 码的编译码器的结构与原理，以及几种译码算法。 第一章绪论 第四章：主要介绍t u r b o 码编码中交织器的原理与设计，介绍几种常见交织器 特别是第三代移动通信系统中应用的交织器和魔方交织器的设计算法。 第五章：瑞利信道模型以及t u r b o 码在瑞利信道中修正译码算法。 o t d s c d m a 系统中t u r b o 码的实现 第二章t d s c d m a 系统中的信道编码与数据复接 本章主要介绍t o s c d m a 系统中的信道编码与数据复接。在第三代移动通信系 统中，在低传输速率时采用的编码方式为卷积码，在高速率时采用的是t u r b o 码 编码，以提高译码纠错能力本章最后给出了在t d s c d m a 系统中t u r b o 码编译码 器利用通信仿真工具c o s s a p 的实现。 2 1t d s c d m a 系统中信道编码与数据复接 物理层经常要求与媒质访问层( m a c ) 和高层进行数据交换，这些数据必须经 过编码或译码才能在无限传输链路中提供传输服务。送入信道前要经过一些处理， 它们包括差错检测、纠错编码( 包括码率匹配) 、交织、传输信道在物理信道上的 映射和划分。 在图2 1 给出了整个传输信道编码和复接的流程结构，在每一个传输时隙内， 送给编码和复接单元的数据序列形成一个传输分组集合，一般一个传输时隙对应 一个传输信道，其长度可以为( 1 0 m s ，2 0 m s ，4 0 m s ，8 0 m s ) 。 下面是编码和复接的过程： 1 给每一传输分组加c r c 校验； 2 传输分组的级联或编码分组的分割 将一个数据分组分成多个分组或将不同的分组合并成一个分组； 3 信道编码； 4 无线帧长度均衡； 补偿输入数据比特，使得输出序列满足无线帧的分割长度： 5 交织： 将输入的数据序列进行位置置换，提高系统抗信道突发错误的性能， 在无线通信中，交织器一般为分组交织器，因为对于特定速率其交织 位置是固定的，在通信的收发端不用提供附加置换位置信息。 t d s c d m a 系统中送入信道前的第一次交织用的是纵横交织器。 6 无线帧分割； 7 码率匹配； 8 传输信道复接； 9 物理信道的分割： 1 0 到物理信道的映射； 第二章t d s c d m a 系统中的信道编码与数据复接 图2 1上行与下行传输信道编码与复接结构 t d s c d m a 系统中t u r b o 码的实现 2 1 1c r c 校验 对每一个传输编码分组通过一个循环码编码电路，相当于输入信息多项式通 过一个除法电路，将其所得余式作为该分组的校验位，加于分组的信息位的后面。 c r c 校验的位数一般为2 4 、1 6 、1 2 、8 、或0 ，一般它的位数由根据来自高层的控 制信号来决定。 对每一个信息数据分组，分组中的每一比特都要用来计算校验比特。一般在 无线通信中用到的c r c 生成多项式有4 个： g ( 盯( d ) = d 2 4 + d 2 3 + d 6 + d5 + d + l g ( 爪( d ) = d 。6 + d 幢+ d 5 + 1 g ( 、肌、( d ) = d 1 2 + d “+ d 3 + d 2 + d + 1 g ( ，盯( d ) = d 8 + d 7 + d 4 + d 3 + d + 1 c r c 校验的编码电路首先是将输入信息序列埘( z ) 乘以x 。( 其中k 为c r c 生 成多项式的最高次) ，变成m ( x ) x ，然后用g ( x ) 除，求得余式r ( x ) ，将其系数取“” 号就得到相应的校验位( 对二进制数据可以不变号) ，加上原来的信息组就组成了 码子c 。 下面我们以如图2 2 的( 7 ，4 ) 循环汉明码为例来说明c r c 校验的工作原理： 图2 2 ( 7 ，4 ) 汉明码的系统码的编码电路 1 3 级移位寄存器的初始状态全清为零，门l 开，门2 关，然后进行移位， 送入信息组m ( x ) 的系数，高次位系数首先进入电路，它一方面经过或门输 出，一方面自动乘以x ”= x 3 次后进入g ( x ) 除法电路，从而完成 x n - k m ( x ) = x3 m ( x ) 的作用； 2 4 次移位后m ( x ) 全部送入电路，完成了除法作用，此时在存储器内保留了 余式r ( x ) 的系数。在二进制情况下就是校验元； 3 此时门1 关，门2 开，在经过3 次移位后，把移位寄存器内的校验元全部 输出，与原先的4 位信息元组成一个长位7 的码字c ( x ) 。 4 门1 开，门2 关，送入第二组数据重复上述过程。 c r c 得生成即是将信息序列在门l 开，门2 关的条件下全部送入除法电路中，当 第二章t d s c d m a 系统中的信道编码与数据复接 信息序列分组的最后以比特输入后，门1 关，门2 开，将移位寄存器中余式跟随 在信息序列后送出。 在接收端，将接收的经过译码的译码序列送入与c r c 生成的相同的除法电路， 在序列完全送入以后，检验移位寄存器中余式如果全为零，皿0 表明译码旷确，甭 则说明该分组译码错误。 2 1 2 信道编码 在t d s c d m a 系统中有三种编码选择： 1 卷积码； 2 t u r b o 码： 3 不编码。 对不同速率选择的编码方式不同，在速率为1 2 2 k b p s 时采用卷积码进行编译 码，在速率为6 4 k b p s 、1 4 4 k b p s 、3 8 4 k b p s 时，采用t u r b o 码进行编译码，在速率 为2 m 时，采用不编码方式。 ( 一) 卷积码 在t d s c d m a 系统中速率为1 2 2 k b p s 时所用的为卷积码。该卷积码的约束长度 为9 ，码率为1 3 或1 2 ，其编码器如图2 3 ： 1 厂1 1 丝1 1 垡丌_几望旷 邕厂1 1 垡厂 坚厂1 1 垡丌_ 。土 土 t 一1 望 1 1 丌_俐1 1 r i 里盯 星叮 垡丌_ t 。工土土土 o t t g x 0 岛= 弱1 ( o e t a | ) c x 自a j t l g i = 7 5 3 ( o c t a l ) o u t w t 0 岛= 5 6 7 ( o c t a l ) o u t e r l q = 6 6 3 ( o c t a ) o u t p u t 2 岛= 7 5 1 ( o c l a | ) ( b ) r a t e1 3 m d u 6 饼do 。旨 图2 3 卷积码编码器 在采用卷积码编码方式时，复接、编码以及映射关系如图3 3 ： t d s c d m a 系统中t u r b o 码的实现 2 “ 1 6 a m m6 c ) - t m 埘收 q h w - r m 惜。啪l r r u t “- 一一 * 2 h t f c i1 a h t k4 h - 翱r _ 呻 h h r d j 砷 瑚h 撙辫 柚2 h r b “q 日描h n 删l _ 日m t fc | 1 6 h t 咒- h s sh 目mm 日m m h s - m “ ! !竺!竺!竺! ，n 咐哪mmgm t f c i , t ”州转 竺1 11竺! ! ! 1 ! ! l ，一竺 ! ! 一一匣五习叵围i 互互 m w w s r n 叵巫强三垂强强三匝稠 伸懈? 叵巫班强互垂亚j 巫受 图2 3 采用卷积码的复接、编码和映射关系 卷积码在无线通信系统中其性能很好的满足了语音通信的要求，它与t u r b o 相比具有许多优点：编译码时延小，实现简单，并且卷积码的编码技术相当成熟， 是第二代移动通信系统中主要编码技术。其最大的缺点是在数据业务时很难满足 高误码率的性能要求，所以在第三代移动系统中它主要用于语音通信( t u r b o 码主 要用于数据业务) 。 ( 二) t u r b o 码 在本文的第三章，将对t u r b o 码的编译码原理进行详细的讨论。 在此主要介绍t d s c d m a 系统中t u r b o 码的应用的一些基本技术： 1 t r e l l i st e r m i n a t i o n t u r b o 码的编码器对每一分组的信息的处理，可以看作是一个分组编码器。 由于分量码是递归的。这就是使得很难通过多输入m ( m 为编码器的寄存器的个 第二章t d s c d m a 系统中的信道编码与数据复接 数) 个0 比特让编码器l 和编码器2 的编码结束状态同时为0 。t r e l l i s t e r m i n a t i o n 是指在输入信息比特输入完毕后，为了使编码器的结束状态回到0 状态而多输入 的比特。在每一分组结束，经t r e l l i st e r m i n a t i o n 输入后就可以确定知道下一个分 组的编码起始状态为全零状态。 t r e l l i st e r m i n a t i o n 是1 1 比特信息比特编码后分量编码器的状态决定的。在 t d s c d m a 系统中的实现方案如图2 4 ：首先将编码器的寄存器清零，然后将图 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 2 4t r e l l i st e r m i n a t i o n 开关至于a ，使得n 比特信息比特送入编码器进行编码，在n 比特信息比特送入 编码结束同时，将开关至于b ，这样经过m 比特后编码器中寄存器的状态就回到 了0 状态。 2 p u n c t u r e 在t u r b o 码的应用中为了提高码率，往往采用p u n c t u r e 技术，其目的是在满 足编译码性能的条件下尽量提高码率。其具体的技术就是按一定p u n c t u r e 矩阵将 编码输出序列中的某些比特删除，在译码端将删除位用0 或l 对应信息补上然后 进行译码。因为在信道中噪声的原因，补上比特发生错误的概率为1 2 ，由于t u r b o 具有很强纠错能力，所以在一定的删除比特范围内p u n c t u r e 不会给编码性能造成 很大的影响。 t d s c d m a 系统中t u r b o 码的实现 2 2t u r b o 码的c o s s a p 实现 2 2 1 ( ! o s s a p 介绍 c o s s a p 由s y n o p s y s 公司推出的一个通信仿真软件它提供了一个通信系 统的系统级的仿真环境。它主要用于验证通信系统的可行性，为实际通信 图2 5c o s s a p 结构流程图 系统的实现提供依据，降低通信系统的设计成本。其结构流程图如图2 5 c o s s a p 的特点和优点： 1 c o s s a p 本身带有许多c 和h d l 的模块库，使用者能过快速通过选择这 些模块库中模块建起自己的复杂的算法仿真系统； 2 数据驱动使多速率和异步的设计实现方便： 3 生成的v h d l 和v e r i l o g 硬件实现要经过s y n o p s y s 高级标准的逻辑综合； 4 软件实现必须经过专门的编译器：d s p 代码生成器和处理器； 5 由于能够同时进行d h l 和指令集的仿真，这提供了高级软件和硬件验证 的能力； 由于这些特点，在第三代移动通信系统的设计中c o s s a p 起着很重要的作用，现 阶段为各大公司对第三代的研发阶段，所以纷纷采用c o s s a p 作为自己的通信仿 真工具。国外通信公司象m o t o r o l a 、n o k i a 等，国内通信公司如华为、中兴、 大唐、东方通信等。 第二章1 d s c d m a 系统中的信道编码与数据复接 图