Turbo码在CDMA中的应用研究(开题报告)

目录 一课题背景.1 1.1移动通信的历史、现状和发展.1 1.2CDMA 的发展和现状.2 1.3Turbo 码的起源和研究现状.3 1.3.2Turbo 码的研究现状.3 二设计方案.5 2.1基于 Turbo 码的 CDMA 系统的总体框图.5 2.2.2 Turbo 码的译码和结构.7 2.3CDMA 技术.8 2.4信道.8 2.4.1 AWGN 信道及对信号的影响.9 2.4.2 Rayleigh 信道及对信号的影响.9 三进度安排.11 四参考文献.12 中原工学院毕业设计（论文）开题报告 1 一一课题背景课题背景 1.1移动通信的历史、现状和发展 移动通信系统从 20 世纪 80 年代诞生以来，到 2020 年将大体经过 5 代的 发展历程： 第一阶段从本世纪 20 年代至 40 年代，为早期发展阶段。在这期间，首先在短 波几个频段上开发出专用移动通信系统，该系统工作频率为 2MHz，到 40 年代提高 到 3040MHz 可以认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段，特点是专用系统开 发，工作频率较低。 第二阶段从 40 年代中期至 60 年代初期。美国贝尔实验室完成了人工交换系统 的接续问题。这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡，接续方式为人工， 网的容量较小。 第三阶段从 60 年代中期至 70 年代中期。 这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段，其特点是采用大区制、中小容量， 使用 450MHz 频段，实现了自动选频与自动接续。 第四阶段从 70 年代中期至 80 年代中期。这是移动通信蓬勃发展时期。 这一阶 段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。可以说，蜂 窝概念真正解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。 第五阶段从 80 年代中期开始。这是数字移动通信系统发展和成熟时期。 以 AMPS 和 TACS 为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。在未来十多年 内数字蜂窝移动通信将处于一个大发展时期，及有可能成为陆地公用移动通信的主 要系统。第五阶段又分为几代移动通信系统： 第一代移动通信系统是模拟语音通信，制式多，互不兼容，安全性差，容量有 限，不能提供数据业务； 第二代移动通信系统是数字话音通信，频率利用和安全性有了很大的提高，但 宽带限制了高速数据业务的应用，不能实现移动多媒体业务，同时由于标准不统一， 无法进行全球漫游； 第三代移动通信则试图建立一个全球的移动综合业务数字网，提供与固定电信 网的业务兼容、质量相当的多种语音和非话业务，但目前 IMT-2000 在无线传输技术 和核心网都没有统一的制式， 其建议和主流技术并不适应因特网的发展要求。 到 2010 年，将从第 3 代过渡到第 4 代(4G)。到 4G，除蜂窝电话系统外，宽带无线接入系统、 毫米波 LAN、 智能传输系统(ITS)和同温层平台(HAPS)系统将投入使用。 未来几代移 中原工学院毕业设计（论文）开题报告 2 动通信系统最明显的趋势是要求高数据速率、高机动性和无缝隙漫游。实现这些要 求在技术上将面临更大的挑战。 此外， 系统性能(如蜂窝规模和传输速率)在很大程度 上将取决于频率的高低。考虑到这些技术问题，有的系统将侧重提供高数据速率， 有的系统将侧重增强机动性或扩大覆盖范围。 从用户角度看，可以使用的接入技术 包括：蜂窝移动无线系统，如 3G；无绳系统，如 DECT；近距离通信系统，如蓝牙 和 DECT 数据系统；无线局域网(WLAN)系统；固定无线接入或无线本地环系统； 卫星系统；广播系统，如 DAB 和 DVB-T；ADSL 和 Cable Modem。 1.2CDMA 的发展和现状 CDMA 技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。第二次世界大战期 间因战争的需要而研究开发出 CDMA 技术， 其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干 扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成为商用蜂 窝电信技术。1995 年，第一个 CDMA 商用系统（被称为 IS-95A）被美国高通公司 运行之后，CDMA 技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美 和亚洲等地得到了迅速推广和应用。全球许多国家和地区，包括中国大陆、中国香 港、韩国、日本、美国都已建有 CDMA 商用网络。在美国和日本，CDMA 成为国 内的主要移动通信技术。在美国，10 个移动通信运营公司中有 7 家选用 CDMA。到 2006 年 4 月，韩国有 60%的人口成为 CDMA 用户。在澳大利亚主办的第 27 届奥运 会中，CDMA 技术更是发挥了重要作用。CDMA 是扩频通信的一种，抗干扰能力强, 宽带传输，抗衰落能力强,功率话密度比较低，有利于信号隐蔽,抗截获的能力强, 多 个用户同时接收,同时发送。 无线通信在未来的通信中起越来越重要的作用，CDMA 将成为下一世纪主要的 无线接入技术。W-CDMA 较 W-TDMA 有更多优越性，W-CDMA 将成为目前各种第 二代移动通信系统（GSM、IS-95、PDC 等）的交汇点，发展成第三代系统，但未来 的统一将要经过一个艰苦的过程。目前欧美都在进行 GSM 与 CDMA 的兼容试验， 用 GSM 的网络以 CDMA 的空中接口，其网络试验在英国进行，Qualcomm 已研制 出 GSM/CDMA 双模手机样机。 未来的第三代多模式蜂窝移动通信系统将以 ATM 为 平台，它不仅兼容第三代的 W-CDMA、UMTS 和 cdmaOne，而且还兼容目前第二代 的 GSM 和 IS-95。 中原工学院毕业设计（论文）开题报告 3 1.3Turbo 码的起源和研究现状 1.3.1 Turbo 码的起源 随着科学的进步通信技术的发展，人们对通信质量的要求也日益增高。人们希 望找到一些提高通信质量的方法，而纠错码作为信道编码是提高通信质量的好的方 法之一。纠错码是提高信息传输可靠性的一种重要手段。迄今为止，纠错码已经有 五十多年的历史，其发展过程大致分为一下几个阶段。 从20世纪50年，纠错码开始出现，在此期间，科学家们研究了很多编码、译码 方法，为线性分组码的奠定了理论基础。此后提出了BCH码编码和译码的方法，还有 卷积码的序列译码等著名的纠错码。 从20世纪60年代到70年代，纠错码在此期间发展非常迅速。科学工作者提出了 软判决译码，门限、迭代译码，卷积码的Viterbi译码等一些非常有效的译码方法。 20世纪70年代，信道编码进入了另一个重要的发展时期。在此期间，提出了一 类不展宽频带的编码调制技术和级联编码的概念以及卷积码的软判决译码算法。 在 20 世纪末，Turbo 码开始登上通信历史的舞台。Berrou 等人在 1993 年提出 了 Turbo 码的并行级联卷积码，这种码的性能非常接近香农极限，而且这种码的复 杂度比较较低便于实现。Turbo 码的提出，在信道编码领域产生了意义深远的影响。 首先，Turbo 码提供了一种级联编码方案和次最优的迭代译码方法，这种方法在低 信噪比条件下性能是非常优异的；其次，Turbo 码的出现拓宽了设计码的思路，也 就是由最大化码字最小距离转化成了最小化低重码字个数，并且，Turbo 的出现也 更新了判断码的准则， 就是从和截止速率比较转向了和 Shannon 理论极限进行比较； 最后，Turbo 码的核心思想即迭代的思想为实现迭信道估计，均衡问题还有多用户 信号检测拓展了新思路。 1.3.2Turbo 码的研究现状 Turbo 码在提出以后，就受到各国学者可科学家的重视。从 1997 年开始国际上 每隔三年便举办一次 Turbo 码及其相关主题的会议，提出当年最新的理论与技术研 究成果。 在 Turbo 码的原理方面。Berrou 等人给出了 Turbo 码的基本组成，即由递归循 环卷积码与随机交织器组成； Hagenauer、 Ryan 等人相继对迭代译码的原理做了阐述。 但是迄今为止，对于 Turbo 码机理的研究的人们还没有形成一个满意的结论。 在 Turbo 码的性能分析方面。低噪比时，通常采用计算机仿真手段来对 Turbo 中原工学院毕业设计（论文）开题报告 4 码性能进行评估；而在高信噪比时，一般采用联合界技术计算 Turbo 码的性能上界。 在 Turbo 码的编译码方面。利用强约束短吗构造伪随机长码是 Turbo 码编码的 核心思想，这样可以最大限度的接近香农极限。在 Turbo 码中主要采用软判决迭代 译码方法。形成了以 MAP 算法、SOVA 算法为代表的两大类译码方法。 在 Turbo 码的交织器方面。在编码器端，重点是研究各种交织器的结构、交织 器的数学描述方法， 以及交织器的重量分布等。 Turbo 码之所以取得如此优异的性能， 交织器是一个重要的因素。而且有关它的研究继续成为热点，由于交织器的使用， 使 turbo 码的性能分析更加困难， 因此设计高性能、 低复杂性的交织器也是一个重要 的课题。目前应用广泛的交织器有分组交织器和随机交织器两大类。一般来讲，随 机交织器有更好的性能，分组交织器的优点是易于分析。 随着 Turbo 码的成功，人们也开始对 Turbo 码的诸多变种进行研究，比如串行 级联卷积码(SCCC),混合级联卷积编码等一些信道编码方式。在这期间，也开始不断 将核心思想迭代应用到诸如解调/译码等方面， 并取得了大量的有价值的结果。 另外， 还研究了一些类似 Turbo 的编码和译码方法。比如低密度校验检测码(LDPC)、重复 累加码、非对称 Turbo 码、级联树码等等。各种不同的编译码方法都已有了较为深 入的研究和仿真，人们发现在编译码方案相匹配的情况下，不少方法都超过了传统 Turbo 码的性能。 目前，Turbo 码的理论研究仍在进行，主要集中在如下几个方面： 把最优分量码和交织器进行联合设计。 研究复杂性较低的译码算法。 把译码迭代的过程的进行优化设计，设计收敛性和迭代停止准则。 把信道估计、多用户检测技术、均衡技术和译码算法联合起来进行应用。 把 Turbo 码技术与高阶调制技术的结合技术。 在硬件上实现 Turbo 编译码器。 中原工学院毕业设计（论文）开题报告 5 二二设计方案设计方案 2.1基于 Turbo 码的 CDMA 系统的总体框图 ck(t) Turbo 码 编码器 Turbo 码 编码器 b1(t) bk(t) Turbo 码 译码器 信 道 检 测 图 1基于 Turbo 码的 CDMA 系统框图 c1(t) c1(t) nk(t) r(t) s(t) 2.2Turbo 码的编码和译码 2.2.1Turbo 码的编码和结构 Turbo 码是以卷积码为基础发展起来的，它通过在编码器中引入随机交织器，使 码字具有近似随机的特性； 通过分量码的并行级联实现了通过短码构造长码的方法； 在接收端虽然采用了次最优的迭代算法，但分量码采用的是最优的最大后验概率译 码算法，同时通过迭代过程可使译码接近最大似然译码。 图 2 所示是一种 Turbo 码编码器的基本结构。该 Turbo 码编码器是由两个反馈 的系统卷积码(RSC)编码器通过一个交织器并行连接而成， 编码后的校验位经过删余 阵，从而产生不同码率的码字。即通过两个分量编码器，利用相同的输入信息进行 编码，由于在它们之间存在一个交织器，所以可保证输出的信息尽量不相关。 中原工学院毕业设计（论文）开题报告 6 图 2Turbo 编码器结构 在 Turbo 码编码器中，信息序列 N uuuu, 21 ，经过一个 N 位交织器，形成 一个新序列 2 11 , N uuuu。对 1 u与u相比，其长度与内容没变，但比特位置经过 了重新排列。两个信息序列 1 u和u分别传送到两个分量码编码器 RSC1 和 RSC2(一般 情况下，这两个分量码编码器结构相同)，然后输出序列 1P X和 2P X。为了达到提高 码率的目的，使序列 1P X和 2P X通过一个删余器，利用删余(puncturing)技术从这 两个校验序列中周期性地删除一些校验位，形成校验位序列 P X。 P X与未编码序列 S X，经过复用调制后，最后生成了 Turbo 码序列X输出。 假定在图 3 所示的编码器中，采用两个 1/2 码率的 RSC 码，则为了获得 1/2 码 率的 Turbo 码， 可以采用删余矩阵：01,10P， 即删去来自 RSC1 的校验序列 1P X的 偶数位置的比特及来自 RSC2 的校验序列 2P X的奇数位的比特。 在 Turbo 码的编码器中，交织器起着至关重要的作用。它在 RSC2 编码器之前将 信息序列中的 N 个比特的位置进行随机置换，极大地影响着 Turbo 码的性能。通过 随机交织，使得编码序列在长为 2N 或 3N(不使用删余)比特的范围内具有记忆性， 从而由简单的短码得到了近似长码。当交织器充分大时，Turbo 码就具有了近似于 随机长码的特性。 Turbo 码的另外一个重要特点是它的分量码采用迭代系统卷积码，这也是它性 能优越的一个重要原因。 一个码率为 1/2、生成多项式为 21,G G的 RSC 码，总可以找到一个生成多项式 为 21,G G的非系统卷积码(NSC )和它对应，反之亦然。 中原工学院毕业设计（论文）开题报告 7 图 3RSC 码的结构 用 RSC 码构成的 Turbo 码的总码率R为： 1 111 21 RRR (1) 式(1)中 1 R、 2 R分别为构成 Turbo 码的分量码的码率。在经删余后，分量码 RSC1 与 RSC2 的码率 1 R、 2 R可以不同。 码率为 1/2 的情况下， Turbo 码在k时刻的输出为 p k s kk xxx,， 其中 p k x由 1p k x和 2p k x交替组成。假设采用 BPSK 调制方法，则信道上的发送符号为。 s p xs s k p k s k p k ExExccc12,12, 2 (2) 经过信道传输、 解调， 接收器匹配滤波器在k时刻的输出采样值为 p k s kk yyy,， 译码器的任务就是从此接收序列估计发送信号。 2.2.2 Turbo 码的译码和结构 Turbo 码是由多个分量码经过不同交织后对同一信息序列进行编码的， 对任何单 个传统编码，通常在译码器的最后得到硬判决译码比特，然而 Turbo 码译码算法不 应局限于在译码器中通过的是硬判决信息。为了更好地利用译码器之间的信息，译 码算法所用的应当是软判决信息。 一个由两个分量码构成的Turbo码的译码器是由两个与分量码对应的译码单元、 解交织器等部分组成，将一个译码单元的软输出信息作为下一个译码单元的输入， 为了获得更好的译码性能，将此过程迭代数次。这就是 Turbo 码译码器的基本工作 原理，如图 5 所示，是 Turbo 码的译码器结构。 Turbo 码译码器是由 2 个对应于编码器的成员码的软输入、 软输出译码单元串行 中原工学院毕业设计（论文）开题报告 8 级联而成，中间加入了与编码器相同的交织器以及解交织器。译码器 1 对 k y1进行译 码， 产生最佳的似然信息(似然信息指的是输入信息序列的后验概率)， 将新信息经交 织后送给译码器 2，并作为其先验信息，译码器 2 对 k y2进行译码。 图 4 Turbo 码译码器结构 也产生最佳的似然信息，将新信息经交织后再送给译码器 1,进行下一次迭代， 这样多次迭代后，似然比逼近最大似然译码值， 、对此值进行硬判决，即可得到信息 序列的最佳估值序列。 2.3CDMA 技术 CDMA 系统基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个 带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经 载波调制并发送出去。接收端由于使用完全相同的伪随机码，与接收的宽带信号作 相关处理，把宽带信号变换成原信息数据的窄带信号，即解扩，以实现信息通信。 2.4信道 信道（Channel） ，通俗地说，是指以传输媒质为基础的信号通路。具体地说， 信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路。信道的作用是传输信号，它提供一 段频带让信号通过，同时又给信号加以限制和损害。 由于 CDMA 系统的模拟仿真信道采用加性高斯白噪声信道（AWGN）和瑞利衰 落信道， 因而产生的 CDMA 信号 s(t)经过模拟信道后变为 r(t)。在经过匹配滤波器后 分解为多路信号 iy1,， iy2 iyk。 当有 K 个用户的时候: r(t)= tctba 111 + tctba 22 + tctba kkk +n(t)（3） 中原工学院毕业设计（论文）开题报告 9 经过匹配滤波器匹配滤波后得到一组数据 iy1， iy2， iyk。以 iy1为例， y1(i) =dttctr Ti iT )()( 1 )1( =S+MAI+N（4） S 为有用信息即我们需要提取的信号，N 为噪声信息，MAI 为多址干扰。 多址干扰（MAI）是由于互相关扩频码的互相关导致用户间的干扰，要减小多 址干扰（MAI）就必须尽可能降低互相关，最好使其为 0，这样 MAI 可完全消除。 但是实际情况，在用户数很多的情况下，每个用户被分配了一个扩频码，不能保证 互相关完全为 0，但尽可能小。CDMA 系统在选择扩频码的要求为高（锐）自相关， 低（零）互相关。 信号经匹配滤波器滤波后，MAI 估计器从各条输出信号中分别提取信号并针对 该信号的 MAI 即用户间的干扰进行估计然后输出 MAI 估计值 K I， 然后把 MAI 估计 值 K I输入到并行干扰抵消器中，把从经过匹配滤波器的信号 iyk减去 MAI 估计值 K I这样得到了没有多址干扰（MAI）的信号。 在完成上述过程后，包含噪声的信号再经过扩频解扩后会使噪声 nk(t)的功率均 匀的分布在功率谱上，这样就减少了噪声的影响，如果选择的扩频码有高自相关性 和零互相关性的特性， （在实际中由于存在多径干扰，零互相关不可能实现） ，式中 的（MAI）近似为零，这样就有利于减少码间干扰，提高系统的性能。如果选择的 扩频码性能不好（自相关低，互相关大）会使得式中的（MAI）不能为零，这样会 影响后面的判决，从而影响系统的性能。 2.4.1 AWGN 信道及对信号的影响 加性白高斯噪声（Additive white Gaussian noise，AWGN）在通信上指的是一 种通道模型 （channel model） ， 此通道模型唯一的信号减损是来自于宽带 （Wideband） 的线性加成或是稳定谱密度（以每赫兹瓦特的带宽表示）与高斯分布振幅的白噪声。 它是最基本的噪声与干扰模型。它的幅度分布服从高斯分布，而功率谱密度是均匀 分布的，它意味着除了加性白高斯噪声外，r(t)与 s(t)没有任何失真。 2.4.2 Rayleigh 信道及对信号的影响 Rayleigh 衰落信道即随参信道，是指其信道性能随乘性干扰随机快速变化，对 信号产生衰落。随参信道对信号的影响是严重的，其根本原因在于它包含了一个复 杂的传输媒质。多径衰落信道是有一路变多路，每一路都携带相同的信息，特点如 中原工学院毕业设计（论文）开题报告 10 下：到达目的地的时延不同；每一条路径受到的衰落状况不同；原有的一条路径上 的能量被分散到多条路径上；到达目的地之后，多路信号相互混叠、互为干扰。 中原工学院毕业设计（论文）开题报告 11 三三进度安排进度安排 1、14151 第 8 周-14151 第 10 周查阅与课题有关的中外文文献，完成中外文文 献的翻译任务； 2、14151 第 11 周-14151 第 19 周在明确设计目的、任务和内容，并参考一定 中英文文献的基础上， 确定 Turbo 编码的CDMA系统的检测与译码算法的理论原理图； 3、14152 第 1 周-14152 第 4 周确定系统仿真实现图，对仿真实现图的各模块 进行程序设计，并进行调试； 4、14152 第 5 周-14152 第 11 周进行仿真试验，记录试验数据，对数据进行分 析处理； 5、14152 第 12 周-14152 第 16 周撰写并修改毕业设计论文，打印成稿，参加 毕业设计论文答辩。 中原工学院毕业设计（论文）开题报告 12 四参考文献 1文睿.Turbo 码的研究及在 DS/CDMA 系统中的应用，哈尔滨工程大学M，2007. 2孙蓉，陈军，邓浩，等.Turbo 码量化问题的研究J .电子学报，2005. 3吴伟陵.移动通信中的关键技术M. 北京：北京邮电大学出版社，2000 4 柳春锋. Turbo 码性能分析D. 哈尔滨工程大学，2006 5刘东华Turbo 码原理与应用技术M北京:电子工业出版社，2008. 6差错控制编码，(英)Peter Sweeney著，俞越、张月译，清华大学出版社，200406 7刘东华，唐朝京用于Turbo迭代译码的LogMAP算法的简化。电子与信息学报，V0123 No12Dec，2007 p：13401347 8黄和斌，肖扬f氐信噪比下的Turbo编译码算法研究及性能评估。铁道学报。V0126No2 April2004 9曲炜、朱诗兵，信息论基础及应用，清华大学出版社，200501 1