（通信与信息系统专业论文）高性能级联编码技术研究.pdf

中文摘要 1 9 9 3 年由c b e r r o u 等人提出的t u r b o 码被视为信道编码在近年来的一大历史 突破，它能以有限的码长达到近s h a n n o n 限的性能。最初的t u r b o 编码是一类并行 级联递归系统卷积码，译码端采用基于软信息输入一输出的反馈迭代结构。如今， t u r b o 码的概念内涵己作了很大的延拓，不仅其予码可以是一般的线性分组码，而 且也出现了串联、混联乃至多维级联的编码结构，同时t u r b o 码已被第三代移动 通信系统所采纳，写入多个通信标准之中。另一方面，近年来多输入多输出技术 也受到了人们极大的关注，因为它能在不增加频带宽度的情况下极大地提高通信 系统的容量和性能，其中空时分组编码技术不仅能够有效利用空间和时间分集， 而且译码复杂度也只呈线性增加。但是，空时分组编码只具有分集增益而缺乏编 码增益，这使其在纠错能力上大为逊色。如果能在空时分组编码之前加上合适的 信道编码，那么级联空时码则有望同时获得分集和编码增益，从而使系统性能大 为提高。 本文工作主要分为两部分，第一部分研究了当前比较热门的信道编码码型， 如t u r b o 卷积码、t u r b o 分组码以及一种以奇偶校验码为子码的多维t u r b o 分组码 ( 简称多重级联奇偶校验码) 。论文介绍了它们的编译码方法并提供了较为详细 的性能仿真。第二部分则着重探讨了信道编码与正交空时分组码的级联运作问题， 并对在接收端采用t u r b o 迭代结构及无迭代结构接收的系统作了比较。论文主要 在以下两方面获得了一些有益的结论：( 1 ) 多重级联奇偶校验码在并串联及混联编 码方式下有着不同的性能变化结果，其中混联奇偶校验码的性能始终介于相同条 件下的并串联奇偶校验码性能之间；随着码率升高，并串联奇偶校验码的性能分 界点会移向更低误码率区，且两者的性能之差也会逐渐变小。( 2 ) 级联信道编码的 空时编码系统比不级联空时编码系统能够提供较大的编码增益；而在接收端采用 t u r b o 迭代结构接收的级联系统比一般的级联接收系统具有更佳的误码性能。 关键词：级联编码t u r b o 码正交空时分组码级联空时码移动通信 o nt h er e s e a r c ho fh i g hp e r f o r m a n c ec o n c a t e n a t e dc o d i n g a b s t r a c t t u r b oc o d e s ，i n t r o d u c e db yc b e r r o ue t c i n19 9 3 ，c a l lb ec o n s i d e r e d a so n e m i l e s t o n ei nt h ef i e l do fc h a n n e lc o d i n gt e c h n o l o g yw i t h i nr e c e n tt e ny e a r s ，b e c a u s ei t c a na p p r o a c ht h es h a n n o nl i m i tc l o s e l yw i t hf i n i t ec o d el e n g t h t h ef i r s tp r o p o s e d t u r b oc o d e sa r ep a r a l l e lc o n c a t e n a t i o no fr 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 lc o d e sw i t h i t e r a t i v ed e c o d i n gs t r u c t u r ew h i c ha d o p t ss o f t i n - s o f t - o u td e c o d i n ga l g o r i t h m sa tt h e r e c e i v i n ge n d n o w a d a y s ，t h ec o n c e p to ft u r b oc o d e sh a sb e e nw i d e l ye x t e n d e d n o t o n l yc a nt h e i rc o m p o n e n tc o d e sb eg e n e r a ll i n e a rb l o c kc o d e s ，b u ta l s ot h e i rc o d i n g s t r u c t u r e e m p l o y ss e r i a lc o n c a t e n a t i o n ，h y b r i dc o n c a t e n a t i o n a n de v e n m u l t i p l e c o n c a t e n a t i o n s a tm e a n t i m e ，t u r b oc o d e sh a v eb e e na b s o r b e di n t ot h et h i r dg e n e r a t i o n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n da l s ob e e nw r i t t e ni n t os e v e r a lc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s o nt h eo t h e rh a n d ，t h em u l t i - i n p u t - m u l t i - o u t p u t ( m 1 m o ) t e c h n o l o g yh a sa l s od r a w n e n o r m o u sa r e n t i o nr e c e n t l y ，b e c a u s e i tc a ni n c r e a s et h e c a p a c i t y o fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ng r e a t l yw i t h o u tw a s t i n gt h el i m i t e db a n d w i d t h a so n ep r i m a r y t e c h n o l o g yf o rm i m o ，s p a c et i m eb l o c kc o d i n g ( s t b c ) c a nn o to n l ye x p l o i ts p a t i a l a n dt e m p o r a ld i v e r s i t ys i m u l t a n e o u s l y , b u ta l s ob ee a s i l yi m p l e m e n t e dw i t hal i n e a r d e c o d i n gc o m p l e x i t y h o w e v e gs t b co n l ys h o w sd i v e r s i t yg a i nb u t f r e eo f c o d i n gg a i n c o n s e q u e n t l y , t h ee r r o rc a p a c i t yo fa ns t b cd e s i g ni sl i m i t e d i fo n ea p p r o p r i a t e c h a n n e lc o d ec o u l db ec o n c a t e n a t e dw i t hs t b c ，t h ec o n c a t e n a t e ds p a c et i m ec o d e s w e r el i k e l yt oa c q u i r eb o t hd i v e r s i t ya n dc o d i n gg a i n t h e r e f o r et h ep e r f o r m a n c eo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a nb eg r e a t l yi m p r o v e d t h i sp a p e rm a i n l yp r e s e n t st w op a r t s t h ef i r s tp a r ti sf o c u s e do nt h er e s e a r c ho f r e c e n th o tc h a n n e lc o d e s ，s u c ha st u r b oc o n v o l u t i o n a lc o d e s ，t u r b ob l o c kc o d e sa n d o n es p e c i a lm u l t i p l ec o n c a t e n a t e dt u r b ob l o c k c o d e sw h i c he m p l o ys i n g l ep a r i t yc h e c k c o d e sa st h e i rc o m p o n e n tc o d e s ( a l s ob ec a l l e dm u l t i p l es i n g l ep a r i t yc h e c kc o d e s ) i n t h i sp a r t ，t h ec o d i n ga n dd e c o d i n gm e t h o d sa r ed e s c r i b e da n dd e t a i l e ds i m u l a t i o nr e s u l t s a r ea l s op r o v i d e d t h es e c o n dp a r tp a y sm o r ea t t e n t i o nt ot h ec o n c a t e n a t i o no fc h a n n e l c o d e sa n do r t h o g o n a ls p a c et i m eb l o c kc o d e s w em a i n l yc o m p a r et h ep e r f o r m a n c eo f t w od i f f e r e n tc o n c a t e n a t i o ns t r a t e g i e sw h i c hi n c l u d et u r b oi t e r a t i v ed e c o d i n ga tt h e r e c e i v i n ge n d a n dc o i n m o nd e c o d i n gs t r u c t u r ew i t h o u ta n yi t e r a t i v ep a r t w ea t t a i nm a i nc o n c l u s i o n so nt h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t s ：( 1 ) m u l t i p l es i n g l ep a r i t y c h e c kc o d e sw i t hd i f f e r e n tc o d i n gs t r u c t u r e sh a v ed i f f e r e n tb u tr e g u l a rp e r f o r m a n c e v a r i a t i o n ：p e r f o r m a n c eo fh y b r i dc o d i n g s m a c t u r ei sa l w a y sl y i n gi nb e t w e e nt h e p e r f o r m a n c eo fi t sp a r a l l e la n ds e r i a l c o u n t e r p a r t s ；w h e nc o d er a t ei n c r e a s e s ，t h e p e r f o r m a n c e c r o s s o v e rb e t w e e np a r a l l e la n ds e r i a lc o d i n gs t r u c t u r e sm o v e st ol o w e rb i t e r r o rr a t er e g i o na n dt h e i rp e r f o r m a n c ed i f f e r e n c ed e c r e a s e s ( 2 ) t h ec o n c a t e n a t e ds p a c e t i m ec o d e sc a np r o v i d em o r ec o d i n gg a i n st h a nt h eo n ew i t h o u tc h a n n e lc o d e s w i t h i n t h ec o n c a t e n a t e ds p a c et i m ec o d i n gs y s t e m ，t h eo n ee m p l o y i n gt u r b oi t e r a t i v ed e c o d i n g s t r u c t u r ea tt h er e c e i v i n ge n do u t p e r f o r m st h eo n eo n l ye m p l o y i n gc o m m o nd e c o d i n g s t r u c t u r e k e yw o r d s ：c o n c a t e n a t e dc o d e s ，t u r b oc o d e s ，o r t h o g o n a ls p a c e t i m ec o d e s ， c o n c a t e n a t e ds p a e et i m ec o d e s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s 英语缩略语对照表 a d c ：北美数字蜂窝系统n o r t ha m e r i c ad i g i t a lc e l l u l a rs y s t e m a d s l ：非对称数字用户线a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e a w g n ：加性高斯白噪声a d d i t i v e w h i t e g a u s s i a n n o i s e b e r ：误比特率b i te r r o rr a t e b i c s t m - i d ：迭代的比特交织编码空时调制b i t - i n t e r l e a v e dc o d e ds p a c et i m em o d u l a t i o nw i t h l t e r a t i v ed e c o d i n g c c s d s ：深空通信标准咨询委员会c o n s u l t a t i v ec o m m i t t e ef o rs p a c ed a t as y s t e m s c d m a ：码分多址c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c w e f ：条件枚举函数c o n d i t i o n a lw e i g h te n u m e r a t i n gf u n c t i o n e d g e ：全球移动通信系统演进的增强数据速率e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n e x i t ：外信息转移图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 rc h a r t f e c ：前向纠错f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n f f t ：快速傅立叶变换f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m f p l m t s ：未来公众陆地移动通信系统f u t u r ep u b l i cl a n dm 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 m g p r s ：通用分组无线业务g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e g s m ：全球移动通信系统g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e h s c s d ：高速电路交换数据业务h i g hs p e e dc i r c u i ts w i t c h e dd a t as e r v i c e i f f t ：逆快速傅立叶变换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 n m a r s a t ：国际海事卫星组织i n t e r n a t i o n a lm a r i t i m es a t e l l i t eo r g a n i z a t i o n i o w e f ：输入输出重量枚举函数i n p u t - o u t p u tw e i g h te n u m e r a t i n gf u n c t i o n i r w e f ：输入冗余重量枚举函数i n p u t - r e d u n d a n c yw e i g h te n u m e r a t i n gf u n c t i o n i t u ：国际电信联盟i n t e m a f i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n l d p c ：低密度奇偶校验码l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d e s l m d s ：本地多点分配业务l o c a lm u l t i e h a n n e ld i s t r i b u t i o ns e r v i c e m a p ：最大后验概率m a x i m u map o s t e r i o r i m i m o ：多输入多输出m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t m l ：最大似然m a x i m u ml i k e l i h o o d m r c ：最大比合并m a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g n a s a ：美国国家航空航天管理局n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n o f d m ：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 p d c ：太平洋地区数字蜂窝电话p a c i f i cd i g i t a lc e l l u l a rs y s t e m p s k ：相移键控p h a s e - s h i f tk e y i n g q a m ：正交i 隅度调制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 r s c ：递归系统卷积码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 lc o d e s 1 s o ：软输入软输出s o f t - i n p u t s o f t - o u t p u t s o v a ：软输出维特比算法s o f t o u t p u tv i t e r b ia l g o r i t h m s p c ：奇偶校验码s i n g l ep a r i t yc h e c kc o d e s t b c ：空时分组编码s p a c e t i m e b l o c k c o d i n g s t c ：空时编码s p a c e - t i m cc o d e t d m a ；时分多址t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t d ，s c d m a ：时分同步码分多址t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s v - b l a s t ：垂直一贝尔实验室分层空时v e r t i c a lb e l tl a b sl a y e r e ds 1 ) a c e - t i m e w c d m a ：宽带码分多址w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文 ： 直丝篚缝鲢缠俎撞苤盟窒：。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：秽幺勺寺2 0 0 6 年3 月2 5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密矿( 请在以上方框内打“) 论文作者签名：涨幼手导师签名：动赋 日期：2 0 0 6 年3 月2 5 日 第1 章绪论 本章第一节首先概述移动通信系统的演进过程；第二节介绍在新一代通信系 统中被视为具有里程碑意义的三大“杀手锏技术：基于多天线的空时码 ( m i m o s t c ) 、t u r b o 码和正交频分复用( o f d m ) ，并注重叙述前两釉技术的发 展；第三节简述论文的研究内容及篇章的安排。 1 1 移动通信系统的演进 移动通信是指移动用户之问、或移动用户与固定用户之间进行的通信。这里 的通信不仅指双方的通话，还包括数据、传真和图像等通信业务。自2 0 世纪8 0 年代以来，移动通信已成为现代通信网中一种0 i 可缺少并发展最快的通信手段之 j “。在过去的2 0 年里，移动通信系统已经历了从第一代模拟通信( i g ) 到第二 代数字通信( 2 g ) 再到第三代多媒体通信( 3 g ) 的三个阶段。在我国，移动通信 也是最具发展活力的产业之一。据有关资料显示：2 0 0 3 年年底，中国移动用户已 达2 6 8 6 9 亿；2 0 0 5 年用户数可达3 亿，普及率将由现在的9 增加至2 0 吼由 于为高速业务和多媒体设计的第三代移动通信系统在通信的容量和质量方面将远 远不能满足要求，世界各国在推动3 g 通信系统商用化的同时，目前已经把研究重 点转入下一代移动通信系统( b e y o n d3 g 或4 g ) 的先期研究p 】。下面我们将具体 叙述以上移动通信系统的演进过程。 第一代蜂窝移动通信系统早在2 0 世纪8 0 年代就已建成，以传输模拟语音为 主，直接使用模拟语音调制技术，传输速率约2 4k b i t s ，不同国家采用不同的工 作系统。第一代移动通信系统存在的主要问题是：各系统间没有公共接口，频谱 利用率低，无法与固定网向数字化推进的进程相适应 4 1 。 第二代移动通信系统则采用全数字通信，比较典型的代表是欧洲的全球移动 通信系统( g s m ) ，目前已在世界1 1 0 多个国家建立2 0 0 多个g s m 网，为1 亿多 用户服务，除此以外还有北美的a d c ，日本的p d c 等。第二代移动通信系统存在 的主要问题是：没有统一的国际标准，频谱利用率低，不能提供高速数据业务， 不能有效地支持因特嘲业务。 在引入3 g 通信系统之前，人们还面临一种选择：即逐步增强现有的g s m 通 信系统( 也可称为2 5 g 2 7 5 g ) 【扪。g s m 初始的传输速率仅为9 6k b i t s ，若对差 错编码进行改进，则可增加到1 4 4k b i t s 。利用高速电路交换数据( h s c s d ) 采用 t d m a 技术，原始数据速率则可达6 4k b i t s ；采用通用分组无线业务g p r s ( 也称 o s m 2 + ) 能将数据传输速率提高到1 6 4k b i f f s ，它以分组方式在g s m 网络中传输 数据和信令。进一步采用增强型g s m ( t g 称e d g e ) 可以将单时隙传输速率提高 到4 8k b i t j s ，若上，下行信道集中8 个时隙传送，则每个方向都可达到3 8 4k b i t s 的 最高传输速率。 第三代移动通信系统是1 9 8 5 年由国际电信联盟( i t u ) 在模拟移动通信刚刚 发展时提出的，当时被称为未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) 。1 9 9 6 年1 t u 正式将其更名为全球移动通信系统i m t - 2 0 0 0 ，俗称3 g ，意即工作在2 0 0 0 m h z 频 段。预期在2 0 0 0 年左右商用的系统。i m t - 2 0 0 0 的目标和要求如下： ( 1 ) 国际统一频段，统标准。而第一代和第二代是区域性标准。 ( 2 ) 容量大( 频谱效率高) 。i m t - 2 0 0 0 的容量将比第二代c d m a 和g s m 高2 5 倍以上。 ( 3 ) 支持高速数据业务，提供移动多媒体业务。最初目标：车速环境1 4 4k b i t s ， 步行环境3 8 4k b i t s ，室内环境2m b i t s 。 f 4 ) 易于第二代系统的过渡演进。 ( 5 ) 终端价格低。 现在，3 g 在全球已经进入了规模发展的阶段。截至到2 0 0 5 年3 月底，全球 共颁发了1 4 4 张3 g 许可证，商用的3 g 网络共1 8 7 个，3 g 用户达到了1 7 1 4 亿以 上【6 l 。我国虽未颁发3 g 许可证，但在3 g 产业链方面已具备条件，设备制造商和 运营商都为3 g 做好了准备。 从技术角度来看，第三代移动通信系统主要有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a3 种技术体制。物理层相关信号处理技术有：调制解调技术、信道估 计技术、信号检测技术、信道均衡技术、功率控制技术、分集技术、智能天线技 术、空时处理技术和信道编译码技术等。3 g 所涉及技术之广，采用技术之新是以 前通信系统所不能比拟的。 随着第三代移动通信系统逐渐进入商用，对第四代移动通信的研究已初见端 倪。欧盟成立了世界无线通信研究论坛( w w r f ) ，着手研究i m t 2 0 0 0 之后的第 四代移动通信的概念、需求与基本框架：日本信息通信审议会专门委员会与韩国 通信研究所e t r i 也向政府提出了有关第四代移动通信的研究计划；在我国，第四 代移动通信已被正式列入国家“十五8 6 3 ”研究计划，己于近期启动了名为 f u t u r e 的未来移动通信研究计划【7 j 。与3 g 相比，第四代移动通信系统将在传输 速率、频谱利用率、多媒体业务、资源综合优化以及网络应用等方面远远超过3 g 通信系统，是一个质的飞跃。在物理层，第四代移动通信系统涉及到的关键技术 有：具有高频谱效率、能够有效抵抗多径时延的o f d m 技术，采用多天线系统的 m i m o s t c 技术，避免多用户干扰存在的联合发送、联合检测技术，自适应传输 技术，高效信道编译码技术及智能天线技术等日】。我们相信对第四代移动通信技术 的研究必将会对未来的移动通信标准做出贡献，也将有利于我国民族通信产业的 振兴，从而加速世界移动通信业的发展。 1 2 新一代移动通信中的关键和核心技术 这里所说的新一代移动通信，特指后三代及第四代移动通信系统。新一代移 动通信系统无疑集中了当今世界无线与有线通信、通信网络和计算机领域的最新 技术成就，而这些技术成果也有力支持并推动着新一代移动通信的发展。在这些 技术之中，有三种技术被视为具有里程碑意义的“杀手锏”技术，分别为：n 曲o 码、m i m o s t c 和o f d m 【9 1 。对前两种技术的发展我们将分别介绍；而对于o f d m 技术则结合m i m o 技术给予介绍。 1 2 1 高l 生能信道编译码技术 信道编码，也称差错控制码或纠错码，是提高信息传输可靠性的一种有效手 段，距今已有5 0 多年的发展历史【1 0 l 。1 9 4 8 年信息论鼻祖c e s h a n n o n 在他的奠基 性论文“通信的数学理论”中指出：每一类信道都存在着一定的信道容量c ，它是 信道的最大极限传输能力：只要当实际传输速率只小于c 时，就可以实现在信道 中无差错的传输。尽管如此，s h a n n o n 并没有给出逼近香农限的具体的信道编码方 法。在t u r b o 码发明之前，尽管人们构造了各种各样的纠错码，也取得了丰富的成 罘，1 旦所得到的结果与香农理论极限还相距甚远。1 9 9 3 年c b e r r o u 等人发表了有 关t u r b o 码的著名论文【“j ，并指出：对于a w g n 信道，当信噪比大于或等于o 7 d b 时，交织长度为6 5 5 3 6 、码率为1 2 的t u r b o 码，经过1 8 次迭代后其b e r 小于或 等于1 0 。这一逼近香农限的优异性能立刻引起了信息与编码学界的轰动，从此， 高效信道编码技术开始蓬勃发展起来。现在，t u r b o 码已进入实际应用阶段，具体 有【“j ：( 1 ) n a s a j p l 和e s a 设计的由两个1 6 状态卷积码构成的t u r b o 码，已经 作为新的c c s d s ( 深空通信标准咨询委员会) 标准；( 2 ) 国际海事卫星组织最新 公布的i n m a r s a t - p h o n e m 4 系统中，就是以t u r b o 码为核心技术来实现高速数据 传输；( 3 ) 3 g 移动通信系统的三大主流标准均采用了t u r b o 卷积码作为其高速率 信道编码技术；( 4 ) i e e e s 0 2 1 6 工作组已在l m d s ( 本地多点分配业务) 中使用 t u r b o 分组码：此外t u r b o 码在有线通信和数字存储中的应用正在积极探索之中。 t u r b o 码不仅作为一种信道编码技术，还可以和其它通信技术，如信源编码、调制 解调、均衡技术、多用户检测技术等联合使用，更加重要的是其迭代译码的思想 已经广泛深入到对通信系统各部分的研究之中，出现了如迭代解调、t t l r b o 均衡、 多用户迭代检测等新技术；在新一代移动通信系统中，高效信道编码作为前向信 道纠错码与后级系统级联使用，从而可以提供较高的编码增益，这也是本文研究 的一个重要部分。 1 2 2 空时编码技术 新一代移动通信系统通常需要提供极大的通信速率，因此在有限的频谱资源 下，如何有效地提高频谱利用率成为当前学术界和工业界极为关注的问题之一。 在这种背景下，m i m o 技术随之而产生。一个m i m o 系统可以简单地定义成在发 射端和接收端都装备有多根天线的任意无线通信系统。m i m o 信道容量理论指出： 在发射端未知信道参数，接收端可以准确估计信道信息，并保证不同发射- 接收天 线对之间的衰落相互独立的情况下，对于一个拥有个发射天线和m 个接收天线 的系统，能达到的平均无差错信道容量将随着m i n ( ，蚴的增加而线性增加。可 见从理论上讲，m i m o 技术是解决高速大容量无线通信问题好的方法。当前，m i m o 技术的应用主体是各类空时编码方法。 空时码是适合于m i m o 信道的一种编码方案，它综合了空间分集和时间分集 的优点，同时提供分集和编码增益，能够挟得远远高于传统单天线系统的频带利 用率。按照空时码应用的信道环境不同， 1 3 1 ：一类要求接收端准确估计信道特性， 可以将已有的空时编码方案分为两大类 如分层空时码、网格空时码和空时分组 码；另一类不要求接收端进行信道估计，如酉空时码和差分空时码。以上空时编 码方案在分集和编码增益以及频带利用率方面存在着较大差异，例如：分层空时 耐“】具有很高的频带利用率，但却无法达到最大分集增益；网格空时码 ”1 能够达 到最大分集增益，但要牺牲部分的频带利用率；空时分组码【1 6 1 具有较低的译码复 杂度且性能相对较好，但缺点也很明显：它的编码增益不高以及当发射天线数增 加时，其频谱利用率最多只有最大值的3 4 。酉空时码和差分空时码不需要信道估 计，但如何构造使其拥有较好的性能是一个难点。除此以外，还有诸如采用t u r b o 迭代思想的空时t u r b o 码【”1 和比特交织编码调制空时处理方法【1 8 1 等。目前，第三 代移动通信系统已经采用a l a m o u t i 空时分组码【l9 作为其传输分集方案之一，而分 层空时码，空时分组码在c d m a 的应用方案也都相继提出【2 0 。2 ”，空时编码技术势 必在未来无线通信系统中发挥重要的作用。 1 2 3m i m o o f d m 技术 以正交频分复用( o f d m ) 为代表的多载波传输技术近年来越来越受到人们的 关注。o f d m 利用逆快速傅立叶变换( i f f t ) 和快速傅立叶变换( f f t ) 来分别实 现调制和解调，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。现存，已 经使用o f d m 的实际系统有：欧洲的数字音频广播、欧洲和北美的高速无线局域 网系统( 如h i p e r l a n 2 、i e e e 8 0 2 1 l a ) 以及高速率数字接入线( a d s l 、v d s l 等) 。目前，在i e e e8 0 2 1 6 无线城域网和i e e e8 0 2 1 5 个人信息网以及新一代通信 系统中，o f d m 技术是考虑的首选技术。 o f d m 的主要思想是：将信道分成若干正交予信道，将高速数据信号转换成 并行的低速子数据流，并调制到每个子信道进行传输。正交信号可以通过在接收 端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的 信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道可以看成是平坦性衰落，从而可 以捎除符号间干扰。o f d m 技术能够有效地对抗多径干扰与频率选择性衰落，并 具有频谱利用率高，成本低等优点。 不过o f d m 提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在o f d m 基础上合理开发 空间资源，形成m i m o o f d m ，可以提供更高的数据传输速率。另外o f d m 由于 码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于 保护间隔，所以系统不受码问干扰的困扰，并可依靠多天线来实现：即采用由大 量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，以实现完全覆盖口2 1 。 在实际中，许多无线信道是频率选择性衰落的，空时编码的设计将变得非常 复杂，而o f d m 技术可将频率选择性衰落信道分成许多并行的平衰落信道，这将 降低空时编码的复杂度。将空时编码技术和多天线o f d m 技术两者很好地结合在 一起，发挥各自的性能特点，从而提高系统的总体性能。并且，多天线o f d m 系 统加空时编码技术能在4 i 增大发射功率和不扩展频带的前提下实现高速数据传 输，这必将有效地满足第四代移动通信对高数据传输的要求。 1 3 本文的研究内容及论文安排 本文研究内容涉及范围有：高效信道编译码技术、空时编码技术以及两者的 级联运作问题，全文内容安排如下： 第二章主要介绍几种高性能信道编译码技术，包括n 曲。卷积码，t u r b o 分组 码及其特例：多重级联奇偶校验码；并将给出以上信道编码在a w g n 信道下的性 能仿真。 第三章主要介绍正交空时分组码的编译码原理，相关的m i m o 系统信道容量 以及正交空时分组码在无线衰落信道下的性能仿真。 第四章主要讨论在信道编码与空时编码级联下接收端如何进行t u r b o 迭代接 收的问题，这一章会给出具体的迭代算法和步骤；并在相同的频谱利用率下，给 出一些性能比较仿真结果。 第五章将概括全文的主要结论和取得的成果，并指出需要进一步研究的问题 和未来的工作。 - 6 第2 章高性能信道编码技术 本章第一节先介绍t u r b o 卷积码编译码原理，并对其m a p 译码算法以及简化 算法进行讨论；第二节介绍t u r b o 分组码编译码原理并进行相关译码算法讨论；第 三节介绍级联奇偶校验码相关内容，并对其编码结构、译码算法及误比特率理论 差错上限给予讨论。 2 1t u r b o 卷积码 2 11 编码方式 t u r b o 码是c b e r r o u 等人在1 9 9 3 年首次提出的“】，最初的t u r b o 码是一类并 行级联的递归系统卷积码，整个编码器的构成可由图2 1 表示。它的两个子码均是 递归系统卷积码( r s c ) ，采用并行级联结构，在两个编码器之间内置一个比特交 织器。若设输入编码器的信息序列为u ，它一方面直接经过r s c l 编码，产生系 统序列y 5 和校验序列v 1 p ，另一方面在对u 进行交织后，输入至r s c 2 进行编码， 产生另一个经过交织的系统序列v “和另一个校验序列v 2 p 。由于矿和v “仅存在交 织的关系，因此仅仅保留序列v5 ，这里的v 3 就表示了原输入信息序列。将v 5 、v 岫 以及v2 p 经删余复用之后完成编码，得到发送序列c 。 删余单元的作用是为了调整码率，码率是指信息序列与编码序列长度之比， 因此为了提高码率有必要删除掉部分编码比特而使得整体码率提高。若b 、r ：分 图2 1t u r b o 卷积码编码器 f i g 2 1 t h ee n c o d e ro f t u r b oc o n v o l u t i o n a lc o d e s 别表示两个子码的编码效率，则t u r b o 码的码率满足 三：上+ 一1 1 r r lr 2 ( 2 1 ) 在实际中，一般使信息序列全部传送，而校验序列给予适当的删除。在接收 端则对接收序列进行内插，未被传送的比特用零填充，以保证序列的完整。复用 单元完成编码的并串转换，使输出适台信道的传输。 交织器在t u r b o 码中也起到了关键性的作用，它使整个码字具有随机码的特 性。使用交织器能使突发性不可纠的错误变为随机可纠的错误，从而大为提升编 码的纠错能力。交织器的种类很多，常用的有行列交织、螺旋交织、s 伪随机交织 等，理论上，随机交织的效果最好。有关交织器对编译码性能的影响，可参见文 献【2 3 。2 熨。 2 1 2 译码结构 t u r b o 码没有采用简单的硬判决而是充分利用了译码信息，经过反复迭代译码 图2 2t u r b o 码译码器结构 f i g 2 2 t h ed e c o d e rs t r u c t u r eo f t u r b oc o d e s 从而较为准确地恢复了发送信息。t u r b o 码译码器的基本结构如图2 2 所示。 图2 2 所示的t u r b o 码译码器由两个软输入软输出( s i s o ) 译码器d e c l 和 d e c 2 串联而成，交织器与编码器中所使用的交织器相同。译码器d e c l 对分量码 r s c l 进行最佳译码，产生关于信息序列u 中每一比特的似然信息，并将其中的新 信息( 称外信息) 经过交织送给d e c 2 ，译码器d e c 2 将此信息作为先验信息，对 分量码r s c 2 进行最佳译码，产生关于交织后的信息序列中每一比特的似然比信 息，然后将其中的外信息经过解交织送给d e c l ，进行下一次译码。这样，经过多 次迭代，d e c l 或d e c 2 的外信息趋于稳定，似然比值逼近于对整个码的最大似然 译码的结果，然后对此似然比进行硬判决，即可得到信息序列u 的每一比特的最 佳估值序列。 若设t u r b o 码译码器的接收序列为y = ( 孔，匕) ，冗余信息l 经解复用后，分 别送给d e c i 和d e c 2 。则两个s i s o 译码器的输入序列分别为：一= ( 五，i 。) 和 e = ( 以，。) 。为了使译码后的比特错误概率最小，根据最大后验概率( m a p ) 译码准则，t u r b o 译码器的最佳译码策略是，