（信号与信息处理专业论文）lte系统中turbo码的研究与实现.pdf

y l l l l ll l ii l lli i ii lle iiii 17 5 7 2 9 4 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，也不包含为获得北京邮电大学或 其他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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 里盥 日期： 知6 ，专，l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学 本人签名： 导师签名： ，适用本授权书。 日期： 邕z ! 五! 羔 日期：狸f 鱼耋。兰 -，；r ， 卅 ! _ 0 北京邮电大学硕十学位论文l t e 系统中t u r b o 码的研究与实现 l t e 系统中t u r b o 码的研究与实现 摘要 随着用户对各种多媒体业务需求的增加，3 g p p 提出了长期演进系统 ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 。而t u r b o 码是l t e 系统物理层的关键技术之 一。t u r b o 码以其在高噪声的应用环境中突出的高纠错能力而格外引人注 目。对于高数据率和宽带传输的l t e 系统，采用1 3 码率的t u r b o 码作为 母码，使用无冲突的内交织器，这不仅增强了l t e 系统信号的抗干扰能 力，也将实现的复杂度控制在一定的范围。 本文首先论述了信道编码的基本理论，包括分组码、卷积码的概念和 特性，接着研究了t u r b o 码的编码、译码和内交织器的原理。文章详细介 绍了l t e 系统中t u r b o 码的改进，包括使用无冲突的内交织器，对较大的 编码块进行分段译码等。另外还有l t e 系统中t u r b o 码的速率匹配以及 h a r q 的原理，并对t u r b o 码在l t e 系统中的性能进行了仿真，包括有无 t u r b o 码编码、不同译码算法的情况下的l t e 系统性能仿真，并对仿真结 果进行分析，仿真结果表明在l t e 系统中采用t u r b o 码，系统性能会有很 大的改善。 最后，在介绍了开发工具p i c o c h i p 的开发流程和编程语言之后，文章 基于该d s p 芯片实现了l t e 系统中有关t u r b o 码相关技术，包括 h a r q 、t u r b o 码解速率匹配和t u r b o 译码等，文章还对上述三个模块的设 计分析与结构图进行了讨论，根据算法测试了硬件的实现，验证了其功能 的正确性，并对p i c o c h i p 中t u r b o 译码加速器的译码性能进行了评估。 关键词：l t e t u r b o 码p i c o c h i p 速率匹配解速率匹配 混合自动重传请求 s，l 吖。 学位论文 l t e 系统中t u r b o 码的研究与实现 f 一 一j j ， ! i 北京邮电人学硕十学位论文l t e 系统中t u r b o 码的研究与实现 r e s e a r c ha n di m p l e m e n c 芦汀1 0 n0 nt u r b 0c o d eo f i j es y s t e m s a b s t r a c t t oc o p ew i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n df o rm u l t i m e d i as e r v i c e s ，l o n gt e r m e v o l u t i o ns y s t e m s ( l t e ) h a sb e e ni n t r o d u c e da n dd e v e l o p e df o rt h e3 g p pi n r e c e n ty e a r s t u r b oc o d ei so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fp h y s i c a ll a y e rd e s i g n f o rb 3 g l t es y s t e m i ti sp a r t i c u l a r l yn o t i c e a b l ef o ri t sh i g he r r o r c o r r e c t i n g c a p a b i l i t i e si nh i g h n o i s ea p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t s ，e s p e c i a l l yf o rh i g hd a t ar a t e ( h d r ) b r o a d b a n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m ss u c ha sl t e t h ea d o p t i o no f1 3 一r a t e t u r b oc o d ea st h em o t h e rc o d ea n dt h ei n n e rc o n f l i c t f r e ei n t e r n a li n t e r l e a v e rn o t o n l ye n h a n c e st h el t es y s t e m sa n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t 5b u ta l s or e d u c e st h e c o m p l e x i t yo f i t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h i sp a p e rf i r s td i s c u s s e st h eb a s i ct h e o r yo fc h a n n e lc o d i n g ，i n c l u d i n gt h e c o n c e p t sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb l o c k c o d e sa n dc o n v o l u t i o n a lc o d e s ，a n d t h e ns t u d i e st h et u r b oc o d ee n c o d i n g d e c o d i n gt e c h n i q u e sa sw e l la st h e p r i n c i p l eo ft h ei n n e ri n t e r l e a v e r t h ep a p e r d e t a i l ss e v e r a li m p r o v e m e n t sm a d e t ot h ee x i s t i n gl t e s y s t e mt u r b oc o d e s ，w h i c hi n c l u d et h eu s eo fi n n e rc o n f l i c t f r e ei n t e r l e a v e r , a n ds e c t i o n a ld e c o d i n gt e c h n i q u e sf o rl a r g ec o d eb l o c k s o t h e r i m p r o v e m e n t si n c l u d et u r b oc o d er a t em a t c h i n ga n dh a r qt e c h n i q u e s t h e m o d i f i e dt u r b oc o d e sw e r er u ni nt h el t e s y s t e ms i m u l a t e db ym a t l a b u n d e r d i f f e r e n te n v i r o n m e n t s ，s u c ha sw i t h w i t h o u tt h ep r e s e n c eo ft u r b oc o d e s ，u n d e r d i f f e r e n td e c o d i n ga l g o r i t h m se t c s i m u l a t i o nd a t aw a s a n a l y s e da n dp r e s e n t e d i nt h el a t e rp a r t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fl t e s y s t e mw i l lb e g r e a t l yi m p r o v e db y v i r t u eo ft u r b oc o d e s l a s tb u tn o tl e a s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tt o o l - p i c o c h i p ， i n c l u d i n gi t sd e v e l o p m e n tp r o c e s sa n di t sp r o g r a ml a n g u a g e b a s e do nt h ed s p c h i po ft h el t es y s t e m ，t h ea u t h o rd e v e l o p ss e v e r a le f f i c i e n tt u r b oc o d e 一 l - 龟1+，j 北京邮电大学硕士学位论文l t e 系统中t u r b o 码的研究与实现 目录 第一章绪论1 1 1 什么是l t e 1 1 2l t e 技术特点3 1 3t u r b o 码的研究现状7 1 4 本文的工作及内容安排9 第二章信道编码基础1 0 2 1 信道编码的基本概念1 0 2 2 分组码基础1 l 2 2 1 线性分组码1 1 2 2 2 循环码1 1 2 3 卷积码1 2 2 3 1 卷积码的基本概念与编码方法1 2 2 3 2 卷积码的表示方法1 3 2 3 3 卷积码的距离特性与重量分布1 8 第三章t u r b o 码基本原理2 0 3 1t u r b o 码编码结构2 0 3 2t u r b o 码译码结构2 3 3 3t u r b o 码的内交织器2 6 3 3 1 交织器的基本理论2 6 3 3 2 交织器的种类2 9 3 4 本章小结3 2 第四章u - e 系统t u r b o 码的性能分析3 3 4 1l t e 系统的信道编码技术3 3 4 1 1t u r b o 码编码器3 3 4 1 。2t u r b o 编码器网格截断3 5 4 1 3t u r b o 码内交织器3 6 4 2l t e 的t u r b o 编码传输信道的速率匹配3 7 4 2 1 子块交织器3 8 4 2 2 比特收集、选择和传输3 9 4 3l t e 的h a r q 4 1 l t e 系统中t u r b o 码的研究与实现 4 2 4 6 4 7 4 7 4 7 4 8 4 9 5 1 5 l 5 l 5 4 5 5 5 8 6 2 6 4 6 5 6 6 6 8 北京邮电入学硕士学位论文l t e 系统中t u r b o 码的研究与实现 1 1 什么是l t e 第一章绪论 l t e 是英文l o n g t e r me v o l u t i o n 的缩写。l t e 也被通俗的称为3 9 g ，具有 1 0 0 m b p s 的数据下载能力，被视作从3 g 向4 g 演进的主流技术。随着移动通信的 快速发展，已使它成为现代通信领域中的一大支柱通信产业与通信方式，全球无线 通信呈现出移动化、宽带化和全i p 话的趋势。l t e 是3 g p p 在“移动通信宽带化”趋 势下，为了对抗w i m a x 等移动宽带无线接入技术的市场挑战，在十几年超3 g ( b 3 g ) 研究的技术储备基础上研发出的“准4 g ”技术。 1 1 为了能和可以支持 2 0 m h z 带宽的w i m a x 技术相抗衡，l t e 也必须将最大系统带宽从5 m h z 扩展到 2 0 m h z 。为此，3 g p p 不得不放弃长期采用的码分多址( c d m a ) 技术( c d m a 技 术在实现5 m h z 以上大带宽时复杂度过高) ，选用新的核心传输技术，即 o f d m d m a 技术( 在l t e 项目开始前不久，3 g p p 还对采用o f d m 技术的可行 性得出过否定的结论) 。l t e 在空中接口方面用频分多址( o f d m f d m a ) 替代了 3 g p p 长期使用的码分多址( c d m a ) 作为多址技术，并大量采用了多输入多输出 ( m i m o ) 技术和白适应技术提高数据率和系统性能。在无线接入网( r a n ) 结构 层面，为了降低用户面延迟，l t e 取消的重要的网元无线网络控制器 ( r n c ) 。在整体系统架构方面，和l t e 相对应的系统框架演进( s y s t e m a r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n ，s a e ) 项目则推出了崭新的演进型分组系统( e v o l v e d p a c k e ts y s t e m ，e p s ) 架构。以l t e s a e 为标志的这次“革命”使系统不可避免地丧 失了大部分和3 g 系统的后向兼容性。也就是说，l t e 系统虽然可以部署于3 g ( 即i m t - 2 0 0 0 ，国际移动通信2 0 0 0 ) 的现有频谱，但从网络侧和终端侧都要做大 规模的更新换代。因此很多公司实际上将l t e 干脆看作b 3 g 技术范畴。1 2 】 3 g p p 启动l t e 项目的表面原因是应对w i m a x 标准的市场竞争，但是更深层 次原因是移动通信与宽带无线接入( b r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s s ，b w a ) 技术的融 合。f 3 l 宽带无线接入早期定位于有线宽带接入( 如数字用户线( d i g i t a ls u b s c r i b e r l i n e ，d s l ) ) 技术的替代，其发展经历了从固定局域接入( 如i e e e8 0 2 1 l x ) 向 北京邮电人学硕士学位论文l t e 系统中t u r b o 码的研究与实现 游牧城域接入( 如i e e e8 0 2 1 6 d ) ，再向广域移动接入( i e e e8 0 2 1 6 e ) 的发展历 程，体现出了明显的“宽带接入移动化”的趋势，为以因特网( i n t e r n e t ) 为代表的 信息技术( i t ) 产业向移动通信领域渗透带来了新的机遇，同时也对传统移动通信 产业形成了竞争和挑战。 于此同时，移动通信技术也向能够提供更高的数据率发展，3 g p p 标准和 3 g p p 2 标准分别向h s p a 和高速分组数据( h i g hr a t ep a c k e td a t a ，h r p d ) 演进， 标志着3 g p p 和3 g p p 2 在坚持蜂窝移动能力的同时，日益重视低速局域场景下的 接入能力。这种“移动通信宽带化”趋势，为蜂窝移动通信产业从传统话音业务拓 展到宽带数据业务领域带来了契机。“移动通信宽带化”表现为：由5 m h z 以下带 宽向2 0 m h z 带宽演变；由注重高速移动向低速移动优化演变；由电路交换分组交 换并重向全分组域演变；由蜂窝网络向兼顾热点覆盖演变；终端形态由以移动终端 为主向便携、移动终端并重演变。 “宽带接入移动化”趋势表现为：由大带宽向可变带宽( 有效支持小带宽) 演 变；由固定接入向支持中低速移动演变；由孤立热点覆盖向支持切换的多小区组网 演变；由数据业务向同时支持话音业务演变；由支持以笔记本电脑为代表的便携终 端，向同时支持以手机为代表的移动终端演变。 j 下是基于通信产业对“移动通信宽带化”的认识和应对“宽带接入移动化 挑 战的需要，3 g p p 开始了“长期演进 的进程。当然，对于在2 0 0 5 年即将3 g p p 的 绝大部分力量投入l t e 的研发，也并不是没有争议的。某些运营商和设备商认为 不应该因为对l t e 的投入，放弃了对3 g 系统的继续优化，因此在2 0 0 6 年年初， 又启动了h s p a 演进( 又称为h s p a + ) 工作，以最大限度地保护已经部署了3 g 网 络的运营商的投资。 在国际上进行宽带移动通信研究，积极推进l t e 技术的同时，我国也进行了 国内的相关研究，并积极参与了国际交流和标准化工作。我国通过在进行3 g 技术 研发的过程中( t d s c d m a ) 积累了很多经验，同时也使得我国在国际通信标准 化合产业化中占据重要的地位。 在实施基础研究项目的同时，我国十分重视b 3 g 等宽带移动通信的标准化工 作。在跟踪、参与国际标准化和学术交流活动的同时，还积极组织了国内的相关标 准化工作。中国通信标准化协会( c c s a ) 等5 技术委员会成立第6 工作组( t c 5 w g 6 ) ，专门研究b 3 g 技术。原信息产业部于2 0 0 5 年成立了宽带无线移动专家 组。2 0 0 7 年，又成立了i m t - a d v a n c e d 推进组，在这两个专家组的协调下，我国企 2 北京邮电大学硕士学位论文 l t e 系统中t u r b o 码的研究与实现 业、高校和科研单位积极参与新一代宽带移动通信技术的研究和3 g p pl t e 、 3 g p p 2u m b 、i e e e8 0 2 1 6 m 及i t u ri m t - a d v a n c e d 等标准化工作。 我国代表长期参加i t u r 会议，在相关国内对口组的组织下，将我国在i m t - a d v a n c e d 需求、技术、频谱方面的研究成果和观点输送到i t u r ，为我国积极参 与w r c 0 7 做了大量的准备工作。w r c 0 7 大会在2 0 0 7 年底确立了i m t - a d v a n c e d 的可用频谱，对今后1 0 年内无线通信产业的发展具有划时代的意义。在这次大会 上，通过了对我国比较有利的频谱分配方案。我国标准化人员深入参与了i m t - a d v a n c e d 技术提案征集通函的起草工作，为i m t - a d v a n c e d 需求、评估准则、评估 流程等内容的形成做出了贡献。 正式基于在提出t d s c d m a 标准的过程中，积累了关于t d d 系统的研发经 验，同时也由于存在其他方面的考虑，比如频谱资源的匮乏等。因此在b 3 gl t e 技术的研发过程中，我国主要是针对l t et d d 技术进行了一系列的研究与开发， l t et d d 是t d s c d m a 产业不断演进和向i m t - a d v a n c e d 发展的重要路线。 1 2l t e 技术特点 l t e 系统的设计主要考虑如下几个总体目标： ( 1 ) 降低每比特成本； ( 2 ) 扩展业务的提供能力，以更低的成本、更加的用户体验提供更多的业 务； ( 3 ) 灵活使用现有的和新的频段； ( 4 ) 简化架构，开放接口； ( 5 ) 实现合理的终端功耗。 同时，鉴于原有u m t s 标准中较多的选项给设备研发带来的麻烦，3 g p p 也希 望借助l t e 这一契机尽可能删减选项的数量。为了实现l t e 要求的高性能，系统 架构也不可避免地会发生改变。 总结起来，为了实现一个高数据率、低延迟、为分组业务优化的系统，需要完 成以下工作。 ( 1 ) 在空中接i = 1 物理层方面，支持灵活的传输带宽，引入新的传输技术和 先进的多天线技术； 3 北京邮电人学硕十学位论文l t e 系统中t u r b o 码的研究与实现 ( 2 ) 在空中接口层2 层3 方面，对信令设计进行优化； ( 3 ) 在r a n 架构方面，确定优化的r a n 架构和r a n 网元之间的功能划 分； ( 4 ) 优化r f 设计。 在t r2 5 9 1 3 中，定义了对l t e 系统的需求指标，如下表所示。1 4 l 表1 - 1l t e 需求 需求名称需求内容 2 0 m h z 系统带宽下，下行瞬间峰值速率l o o m b i t s ( 频谱 峰值数据率 效率5 b i t h z ) ，上行瞬间峰值速率2 0 m b i t s ( 频谱效率 2 5 b i t h z ) 控制面延迟从驻留状态转换到激活状态的时延小于l o o m s 控制面容量每个小区在5 m h z 带宽下最少支持2 0 0 个用户 零负载( 单用户、单数据流) 、小i p 分组条件下时延小 用户面延迟 于5 m s 下行每兆赫兹平均用户吞吐量为r 6h s d p a 的3 - - - - 4 倍； 用户吞吐量 上行每兆赫兹平均用户吞吐量为r 6h s u p a 的2 3 倍 在真实负载的网路中，下行频谱效率为r 6h s d p a 的3 频谱效率 4 倍；上行频谱效率为r 6h s u p a 的2 - - - 3 倍 为0 - - 一1 5 k m h 低速移动优化，1 5 - - 1 2 0 k m h 高速移动下实 移动性现高性能在1 2 0 - - - 3 5 0 k m h ( 在某些频段甚至应支持 5 0 0 k m h ) 下能够保持蜂窝网络的移动性 吞吐率、频谱效率和移动性指标在半径5 k m 一下的小区 覆盖中应全面满足，在半径3 0 k m 的小区中性能可有小幅下 降，不应排除半径达到1 0 0 k m 的小区 为了降低终端复杂度，应和单播( u n i c a s t ) 操作采用相同 增强m b m s的调制、编码和多址方法；可向用户同时提供m b m s 业 务和专用话音业务；可用于成对和非成对频谱 支持不同大小的频带尺寸，从1 4 - - 2 0 m h z ；支持成对和 非成对频谱中的部署；支持基于资源整合( r e s o u r c e 频谱灵活性 a g g r e g a t i o n ) 的内容提供，包括一个频段内部、不同频段 之间、上下行之间、相邻和不相邻频带之问的整合 4 北京邮电大学硕士学位论文l t e 系统中t u r b o 码的研究与实现 和g e r a n a j t r a n 系统可以邻频共站址共存；支持 与3 g p p 无线接入技术u t r a n 、g e r a n 操作的e u t r a n 终端应支持和对 的u t r a n g e r a n 的测量，以及e u t r a n 和 共存和互操作u 职a n g e r a n 之间的切换。实时业务在e u t r a n 和 u t r a n g e r a n 之间的切换中断时f n j d 于3 0 0 m s 单一基于分组的e u t r a n 系统架构，通过分组架构支持 实时业务和会话业务；最大限度地避免单点失败( s i n g l e 系统架构和演进 p o i n to ff a i l u r e ) ；支持端到端q o s ；优化回传 ( b a c k h a u l ) 通信协议 增强的端到端q o s ；有效支持高层传输；支持不同的无线 无线资源管理 接入技术之间的负载均衡和政策管理 复杂度尽可能减少选项；避免多余的必选特性 由于本论文主要是针对物理层的相关技术进行的研究，因此这里特别介绍一下 l t e 物理层采用的一些技术。 l t e 物理层采用带有循环前缀( c p ) 的正交频分多址( o f d m a ) 作为下行多 址方式，采用带有c p 的单载波频分多址( s c f d m a ) 作为上行多址方式。这主 要是为了减少终端侧功率控制设备的复杂度而采取的解决办法。 o f d m a 技术尤其适用于频率选择性信道和高数据率传输，这种技术可以借助 于c p ，将一个宽带的频率选择性信道转化为多个并行的平坦衰落的窄带信道。这 样，原理上接收机就可以采用低复杂度的频域均衡( 即单抽头新型均衡) 来检测信 号。 如图1 - 1 所示，下行物理信道的基带信号的生成由如下步骤形成。1 5 1 图1 - 1 下行物理信道的一般处理过程 这部分描述了一个可应用于多个物理信道的通用结构。 代表一个下行物理信道的基带信号处理如下： - 力口扰：对一个物理信道待传输码字的编码比特进行加扰 调制：将加扰后的比特映射为复数的调制符号 5 ( 2 ) 物理上行控制信道( p h y s i c a lu p l i n kc o n t r o lc h a n n e l ，p u c c h ) 6 北京邮电大学硕士学位论文l t e 系统中t u r b o 码的研究与实现 ( 3 ) 物理随机接入信道( p h y s i c a lr a n d o m a c c e s sc h a n n e l ，p r a c h ) 除上述物理信道之外，l t e 还定义了上下行参考信号( r e f e r e n c es i g n a l ) 、同 步信号( s y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l ) 等物理层信号。 l t e 系统在上行和下行均支持四相移相键控( q p s k ) 、正交振幅调制 ( 1 6 q a m 、6 4 q a m ) 3 中调制方式。传输块信道编码采用和u t r a 系统类似的 1 3 码率、8 状态t u r b o 码，只是将t u r b o 码内交织器改进为无竞争的二次置换多项 式( q u a d r a t i cp e r m u t a t i o np o l y n o m i a l ，q p p ) 交织器。在t u r b o 编码中，采用网格 终止( t r e l l i st e r m i n a t i o n ) 技术。在t u r b o 编码之前，首先将传输块分成字节对齐 的块，最大码块尺寸为6 1 4 4 b i t 。然后附加2 4 b i t 的循环冗余校验( c y c l i c r e d u n d a n c yc h e c k ，c r c ) 校验用于错误检测。 l t e 系统还定义了几个物理层过程【6 l ，包括：小区搜索、功率控制、上行时 钟控制( t i m i n gc o n t r 0 1 ) 、随机接入、h a r q 。 另外，通过控制资源在时域、频域和能量上的分配，l t e 可以有效地支持小区 之间的干扰协调( i n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n ) 。 1 3t u r b o 码的研究现状 s h a n n o n 提出的有噪信道编码定理作为现代通信理论的基础，给出了有噪信道 上实现可靠传输的理论极限c b e r r o u ，在信道传输速率尺不超过信道容量c 的前提 下，只有在码组长度无限的码集合中随机地选择编码码字并且在接收端采用最大似 然译码算法时，才能使误码率接近为零。从此，人们对设计出好的信道编码的追求 就从未间断过。 在1 9 9 3 年在瑞士日内瓦召开的国际通信会议( i c c ) 上，法国学者c b e r r o u 等首次提出了新型的信道编码方案t 1 l 加码，由于很好的应用了s h a n n o n 信道 编码定理的随机性条件，从而使t u r b o 码几乎获得了接近s h a n n o n 理论极限的译码 性能。码率为1 2 的t u r b o 码在加性高斯白噪声信道( a w g n ，a d d i t i o n a lw h i t e g a u s s i a nn o i s e ) 上误比特率( b e r ，b i te r r o rr a t e ) 以低于1 0 。5 ，与香浓极限性能 仅相差0 7 d b 。1 7 1 目前人们对于t u r b o 码的研究包括t u r b o 码的理论分析、设计、实现以及 t u r b o 码与其他技术相结合的应用等。降】这种新颖的编码方案，使用并行级联的系 统递归卷积编码，巧妙地将交织器结合，软输入软输出迭代译码，都为通信理论的 发展开辟了一条新的道路，从而，t u r b o 码也得到了很好的发展。 7 北京邮电人学硕十学位论文l t e 系统中t u r b o 码的研究与实现 1 t u r b o 码编码理论的研究 t u r b o 码提出的实践的结果，没有确定的设计规则，因此在t u r b o 提出之初， 其基本理论的研究就显得极为重要，许多研究学者对t u r b o 码的性能不断地进行验 证。这也对t u r b o 码的研究与设计造成了很大的困难。有必要对t u r b o 码的编码机 理进行研究，为设计出好的信道编码提供指导，而这又依赖于t u r b o 码的正确的数 学建模。 2 t u r b o 码交织器的设计 t u r b o 码性能如此优越的原因很大程度上是因为很好的了结合了交织器，使码 字尽可能的随机化，改变码的重量分布，控制编码序列的距离特性，减少序列之间 的相关性。因此选择好的交织器能够使得t u r b o 码的性能优化进一步加强。 另外，t u r b o 码在交织器长度很长时，可以获得优于卷积码的性能，但是，移 动通信中短长度的帧是比较常见的，而同等复杂度的情况下，t u r b o 码的性能是不 如卷积码的，因此交织器在很大程度上决定了t u r b o 码的性能。 3 t u r b o 码译码算法的研究【9 1 t u r b o 码的编码过程实际上是一个利用强约束短码构造伪随机长码的过程。软 判决迭代译码很好的实现了最大似然译码( m l d ) 。t u r b o 码通过在分量译码器之 间交换外部信息来提高性能。t u r b o 码的译码算法主要是基于后验概率( m a p ， m a x i m u map o s t e r i o r ) 的软输出算法( 主要包括标准m a p 算法、对数域上的l o g m a p 算法和m a x l o g m a x 算法等) 和基于v i t e r b i 算法的软输入软输出算法( 如 s o v a ) 。m a p 算法性能很好，但是复杂度很高；l o g m a p 算法是m a p 算法的 对数形式，它通过将大量的乘法运算转化为加法运算来简化算法的复杂度；m a x l o g m a x 算法则是在m a p 算法基础上通过减少格图搜索状态达到简化的目的； s o v a 算法较简单，但译码性能较m a p 算法差。设计出性能优越，复杂度低的译 码算法，将决定t u r b o 码的发展前景。 4 t u r b o 码的延时 由于t u r b o 码采用软输入软输出迭代译码，迭代次数越多，译码性能越好，复 杂度越高，延时也越大。在现代追求高数据率，低延时的通信系统中，如何正确评 估t u r b o 码的延时以及如何在t u r b o 码的译码性能与延时之间平衡都显得十分重 要。 5 t u r b o 码与其他技术的结合 8 北京邮电大学硕士学位论文l t e 系统中t u r b o 码的研究与实现 l t e 系统就是t u r b o 码技术与h a r q 技术相结合，采用速率匹配删余t u r b o 码，可以使数据更好的匹配实际的物理资源，进一步提高数据传输的吞吐量。同时 通过增量冗余合并技术( i r ) 也加大了数据传输的可靠性。 将t u r b o 码与空时编码相结合也是一种趋势。为进一步提高性能，可在s t b c 外级联一个外码，而由于t u r b o 码的性能优越，可以选择t u r b o 码作为外码，为获 取更好的带宽利用率，并且与高阶调制相结合形成t u r b o 格状编码调制。0 0 l t u r b o 原理还可以应用在调制技术、信源编码、均衡、多用户检测等相关技术 中。因此t u r b o 码在无线移动通信系统中的应用是目前的研究热点。 1 4 本文的工作及内容安排 本文的研究工作主要包括两方面的内容： 为了及时跟踪国内外通信技术的发展，同时目前我国十分重视l t et d d 系统 的研发，我们对l t et d d 系统的t u r b o 码进行了初步的研究，由于作者水平有 限，我们不可能涉及到t u r b o 码的各个研究方向，只是对t u r b o 码的基本原理与编 译码技术进行了一定的研究，主要是采用计算机仿真的方法进行系统的模拟，在 l t et d d 系统平台下，对t u r b o 码的性能进行了一定的分析，并且将t u r b o 码的相 关技术在多核d s p 芯片p i c o c h i p 进行了实现，并且调试通过，达到性能要求。研 究工作主要包括： ( 1 ) 介绍了信道编码的基本概念，几种最主要的信道编码的原理如线性分组 码，卷积码等。 ( 2 ) 介绍了t u r b o 码的概念、编译码结构和译码算法，并且还比较详细的介 绍了交织器对t u r b o 码性能的影响。 ( 3 ) t u r b o 码在t d dl t e 系统中的性能分析。在不同的参数配置中，得到信 噪比与误码率的仿真曲线，从而分析得到不同的参数设置对t u r b o 码性能的 影响。 ( 4 ) t d dl t e 系统中t u r b o 码的相关技术如h a r q 、解速率匹配，t u r b o 码 在多核d s p 芯片p i c o c h i p 中的实现，通过p i c o 汇编、v h d l 编码；对p i c o c h i p 中的t u r b o 译码加速器进行了性能测试。 ( 5 ) 最后对上述所做的工作进行总结与展望。 9 北京邮电人学硕十学位论文 l t e 系统中t u r b o 码的研究与实现 第二章信道编码基础 2 1 信道编码的基本概念 信道编码是为了保证通信系统的传输可靠性，克服信道中的噪声和干扰，而专 门设计的一类抗干扰技术和方法。它根据一定的( 监督) 规律在待发送的信息码元 中( 人为的) 加入一些必要的( 监督) 码元，在接收端利用这些监督码元与信息码 元之间的( 监督) 规律，发现和纠正差错，以提高信息码元传输的可靠性。称待发 送的码元为信息码元，人为加入的多余码元为监督( 或校验) 码元。信道编码的目 的是试图以最少的监督码元为代价，以换取最大程度的可靠性的提高。 信道编码可以从不同的角度来分类，以下为一些常见的分类方式： 根据校验码元与信息组的关系可以分为分组码与卷积码。分组码是指编码方法 是按照信息分组来进行的，本组的校验码元只与本组的信息码元有关，卷积码是指 本组的校验码元不仅仅与本组的信息码元有关，还和本组相邻的若干码组的信息码 元有关； 根据码字中的信息码元是否发生编码可以分为系统码和非系统码。在系统码 中，编码后的信息码元保持与编码前完全一致，而非系统码则改变了信息码元的形 式； 根据校验码元和信息码元的关系可以分为线性码和非线性码。信息码元与校验 码元之间呈线性关系为线性码，反之，两者之间不存在线性关系，则称为非线性 码； 根据功能上可分为仅具有发现差错功能的检错码、具有自动纠正差错功能的纠 错码、具有既能检错又能纠错功能的信道编码。 1 0 北京邮电人学硕士学位论文l t e 系统中t u r b o 码的研究与实现 2 2 分组码基础 2 2 1 线性分组码 分组码的一个重要特点就是它的码字仅与当前编码的信息码元有关，而与相邻 的信息码元无关，也就是说，分组编码器是无记忆的。线性分组码是满足线性叠加 原理的分组码，即校验码元与信息码元之间的关系是线性的，这种码称为( n ，k ) 线性分组码( 其中k 表示信息码元的个数，n 表示信息码元与校验码元总的个 数) 。 如果分组码满足如下两个条件： 码字集合中的任意两个码字经过模2 加之后得到的结果仍然是码字集合中的一 个码字； 码字集合中包含全零码字。 则定义这样的分组码为线性分组码。 显然，好的编码方法应该使得到得码字之间的区别尽可能大。对于二元码而 言，码字集合中任何两个码字之间的区别就表现在它们相应位置上比特取值的区 别。最常用的距离量度是汉明距离，定义为两个码字之间对应位置上比特取值不同 的个数。此外，任何一个二元码字g 中非零比特的个数称为这个码字的汉明重量 以q ) 。 任何一个线性分组( n ，k ) 码可等价于一个系统码。并且只要在码率r 和码长 n 相同的条件下，最优的系统码与最优的线性分组码具有相同的错误概率。 2 2 2 循环码 循环码是线性分组码中最重要的一个分支。循环码指的是码集合中的任意一个 码字经过循环移位后得到的码字仍然是码集合中的码字。它的最大特点是循环码具 有很好的代数结构，可采用码多项式表示，编译码可以很容易的通过反馈线性移位 寄存器构造乘法电路和除法电路来实现。由于循环码的译码结构十分简单，使其在 众多通信系统中得到了很好的应用。常用的b c m 码、r m 码以及g o l a y 码都可以 归纳或变换为循环码的形式。 1 2 北京邮电人学硕士学位论文u e 系统中t u r b o 码的研究与实现 可见，任一时刻七的编码输出q 不仅与当前时刻的输a , m 。有关，同时还与 k 一1 时刻和七一2 时刻的输入一。和m 心有关，同时，k 时刻的输入信息码元聊。还 影响接下来k + 1 时刻和七+ 2 的编码输出c k + l 和气+ 2 ，例如 q 1 2 + ) 1 = m t + 肌“l + 川i l c 之= m k + + - + + z 式( 2 3 ) 上述的卷积码的输出实际上是k 个输入信息码元与编码寄存器中存储的m 个信 息码元线性组合的结果( 对于二进制码，输出时模2 加的结果) ，因此这样的卷积 码又称为线性卷积码。 1 2 1 2 3 2 卷积码的表示方法 描述卷积码的方法很多，大致可分为离散卷积码，生成矩阵法，码多项式法， 状态图表示法，树图表示法以及网格图表示法等。 仍以图2 1 为例，此编码器由线性前馈移位寄存器结构实现，是一个线性系 统。 离散卷积码是卷积码中首先给出的解析表达式法，并因此而命名为卷积码。 若令输入序列为单脉冲序列：m = 6 = ( 1 0 1 1 1 ) ，经编码后输出为两路码组，他 们分别为 c 1 = ( c 5 1 ) ，c ：1 、，c ：l ) c ( 2 ) t ( c 5 2 ，c f 2 1 ，c ( 2 ) 卷积码的离散卷积表达式为 c ( 1 ) 一m 木g ( 1 ) c ( 2 ) = m 水g ( 2 ) c ；( c n ，c 2 ) 式中，g ( 1 与g ( 2 ) 为两路输出中编码器的脉冲冲击响应， g 1 一0 0 1 ) g 2 一( 1 1 1 ) 则有 1 3 式( 2 - 4 ) 式( 2 5 ) 由图2 1 可知，此时 式( 2 - 6 ) 对应的码组为 1 4 北京邮电大学硕十学位论文l t e 系统中t u r b o 码的研究与实现 c ( 1 “1 ；1 + 工3 + x 5 + z 6 仲c ( 1 ) 。( 1 0 0 1 0 1 1 ) c ( 2 仅) ；1 + 戈+ x 4 + z 6 c