（通信与信息系统专业论文）wcdma信道编译码研究与实现.pdf

摘要 摘要 本文简要介绍了w c d m a 移动通信系统的构成。对w c d m a 信道编译码协议 3 gt s2 5 2 1 2 进行了分析，着重研究了信道编译码( 包括卷积编译码和t u r b o 编译 码) 、速率匹配、交织、传输信道的复用、传输信道到物理信道的映射等算法处 理。在分析相关算法的基础上，给出了w c d m a 基站上下行链路信道编译码处理 的个完整的设计实现，在设计中采用新型d s pt m s 3 2 0 c 6 4 1 6 进行算法处理，用 两片d s p 分别进行上行链路译码和下行链路编码处理，并详述了编码d s p 和译码 d s p 对外硬件连接以及上下行链路各算法模块的软件实现；最后给出了d s p 内嵌 的两个译码协处理器信噪比与误码率关系曲线。本设计的目的是验证 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 在w c d m a 基站信道编译码方面的实际处理能力，积累相关设计经 验，为在产品中使用该d s p 做准备。 关键词：信道编码信道译码速率匹配交织 摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e rl n f f o d u c e sw c d m am o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nb r i e f t h e t e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n 一3 g t s2 5 2 1 2 ( m u l t i p l e x i n ga n dc h a n n e l c o d i n gf d d ) i s a n a l y s e d t h i se s s a ye m p h a s i z e sc h a n n e lc o d i n g a n d d e c o d i n ga l g o r i t h mw h i c h i n c l u d e s c o n v o l u t i o n a l c o d i n g ，t u r b oc o d i n g ，r a t em a t c h i n g ，i n t e r l e a v i n g ，m u l t i p l e x i n g o f t r a n s p o r tc h a n n e l s ，m a p p i n gt op h y s i c a lc h a n n e l ，e t c b a s e do nt h es t u d yo ft h e s e a l g o r i t h m s ，t h ep a p e rg i v e sac o m p l e t ed e s i g no f t h ew c d m ab a s e s t a t i o ns y m b o l r a t e p r o c e s s i n g t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 i s i m p l e m e n t e d t o p r o c e s s t h e c o d i n g a n d d e c o d i n g a l g o r i t h mi nt h i sd e s i g n t w op i e c e so fs u c hd s pa r eu s e d ，o n ef o ru p l i n kc o d i n ga n d t h eo t h e rf o rd o w n l i n kd e c o d i n g t h er e a l i z a t i o no fas y s t e md e s i g ni nh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei sd i s c u s s e di n d e t a i l i n t h i s e s s a y a tl a s t t h ep e r f o r m a n c eo fd s p st w o d e c o d e c o p r o c e s s o r i s p r e s e n t e d t h e a i mo ft h i s d e s i g n i st o v e r i f y t h e t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 sr e a lp r o c e s s i n ga b i l i t yi nw c d m ab a s e s t a t i o ns y m b o l - r a t e p r o c e s s i n g a n dt op r e p a r ef o r u s i n g t h i sd s pi nf u t u r e p r o d u c t s k e y w o r d s ：c o d i n gd e c o d i n g r a t e m a t c h i n gi n t e r l e a v i n g 第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信的发展 第一代移动通信系统是模拟制式的蜂窝移动通信系统，它的主要特点是采用 频分复用( f d m a ) 模拟制式，其频谱利用率较低，业务种类受限。 第二代移动通信系统是数字蜂窝移动通信系统，它的典型代表是美国的i s 9 5 和欧洲的g s m 系统。g s m 采用f d d 双工方式和t d m a 多址方式。i s 一9 5 是北 美的另一种数字蜂窝标准，采用c d m a 多址方式。为了解决中速数据传输问题， 又出现了2 5 代的移动通信系统，如g p r s 和i s 9 5 b 。 第三代移动通信系统是一种能提供宽带多媒体业务的数字移动通信系统，它 可提供多种类型和高质量的多媒体业务、具有足够大的系统容量、可以在任何时 候、任何地点进行任何种类的通信。其无线传输技术要求室内环境传输速率可达 2 mb i t s 、室内外步行环境可达3 8 4 k b i t s 、室外车辆运动中可达1 4 4 k b i t s 。传输速 率能够按需分配。 第三代移动通信系统主要包括以下三种技术体制。 1 w c d m a 技术体制 w c d m a 的核心网与g s m g p r s 网络兼容，可以向全的网络结构演进， 在逻辑上分为电路域和分组域两部分，分别完成电路型业务和分组型业务。接入 网基于a t m 技术，统一处理语音和分组业务，并向口方向发展。空中接口采用 w c d m a 技术，信号带宽5 m h z ，码片速率3 8 4 m c h i p s ，a m r 语音编码，上下 行闭环加外环功率控制，开环和闭环发射分集，导频辅助的相干解调，卷积编码 和t u r b o 编码，上行b p s k 和下行q p s k 调制。 g s m 向w c d m a 的演进策略是：目前的g s m g p r s ( 通用分组无线业务， 速率1 4 4 k b i t s ) 一讧t 2 0 0 0w c d m a 。 2 c d m a 2 0 0 0 技术体制 c d m a 2 0 0 0 体制是基于i s 9 5 的标准基础上提出的3 g 标准。它的核心网逻辑 上分为电路域和基于移动技术的分组域。无线接入网以a t m 交换机为平台。 空中接口采用c d m a 2 0 0 0 兼容i s 9 5 ，信号带宽n 1 2 5 m h z ；码片速率n x 1 2 2 8 8 m c p s ；8 k i 3 kq c e l p 或8 ke v r c 语音编码。i s 9 5 向c d m a 2 0 0 0 的演进 2 w c d m a 信道编译码研究与实现 策略是：i s - 9 5 a ( 速率9 6 1 4 4 k b i t s ) 一i s 9 5 b ( 速率1 1 5 2 k b i g s ) 一c d m a 2 0 0 01 x 。 3 t d s c d m a 技术体制 t d s c d m a 标准由中国无线通信标准组织提出。它的核心网与g s m g p r s 网络的兼容。接入网基于a t m 技术，统一处理语音和分组业务，并向i p 方向发 展。空中接口采用t d s c d m a 技术，它具有智能天线、同步c d m a 和软件无线 电三个特点。g s m 向t d - s c d m a 的演进策略类似与g s m 向w c d m a 的演进。 1 2 本文的主要内容 在w c d m a 通信系统中，随着无线传输速率的增加，需处理的数据量也极 大的增加，这对w c d m a 基站的处理能力提出了很高的要求。基站要在一定成 本下增大处理能力，除了优化算法，减少运算量外，还要采用更高性能的处理芯 片。在基站基带处理中，码片速率级处理由于其算法固定，一般由f p g m a s i c 实现；而符号速率级处理由于其算法灵活，一般由d s p 器件实现，以便于编程。 符号级处理主要包括上行链路信道译码和下行链路信道编码等算法处理，在 优化算法的基础上采用t i 公司专为3 g 基站设计的新型d s p 器件t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 来完成信道编译码，可以在低功耗和低成本的情况下处理更多的信道。在没有采 用c 6 4 1 6 的系统中，信道译码可以由d s p 软件来实现，但这会大大降低d s p 处 理其它业务的能力，译码也可以由外部f p g a a s i c 硬件实现，但这会增加单板 器件密度和功耗。c 6 4 1 6 除了具有比一般d s p 更强大的处理能力外，内部还集 成了v i t e r b i 译码协处理器和t u r b o 译码协处理器，提供的符号速率处理性能几乎 是c 6 2 0 3 的十几倍。 本文主要对基站基带符号级处理协议( t s2 5 2 1 2 ) 中的信道编译码、速率匹 配、交织等算法进行了分析，并给出了采用t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 实现信道编译码的一 个硬件和软件设计。本设计的目的是验证t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 在w c d m a 基站信道编 译码方面的实际处理能力，积累相关设计经验，为在产品中使用该d s p 做准备。 本文的内容安排如下： 第二章介绍了w c d m a 移动通信系统的构成。 第三章对w c d m a 信道编译码3 g p pt s2 5 2 1 2 协议算法进行了分析，该协 议算法主要包括编译码、速率匹配、交织等。 第四章给出了采用t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 实现w c d m a 信道编译码的一个设计实 现，包括设计规格、硬件设计、软件设计，也给出了d s p 内嵌译码协处理器的误 码率与信噪比关系曲线。 第五章是全文的总结和结束语。 第二章w c d m a 系统结构 第二章w c d m a 系统结构 通常把采用w c d m a 空中接口技术的第三代移动通信系统称为w c d m a 通 信系统。它采用了与第二代移动通信系统类似的结构，包括用户终端设备( u s e r e q u i p m e n t ，u e ) 、无线接入网络( r a d i oa c c e s sn e t w o r k ，r a n ) 和核心网络( c o r e n e t w o r k ，c n ) 。其系统结构如图2 1 所示。 终端u t。摇j k 阿jh ra n外部网络 厂1 噌i i ，、 7 p s t n 1 、- iu s i ml 卜e 。p 1 w 一一 f 乡 t e r a c t jl 赫 i ic u 十 y 、 j m b i in o d c b 灶 c - i i 。l 对 沙 “ n o d e b i r n s 图2 1w c d m a 系统构成框图 2 iw c d m a 通信系统网络构成 w c d m a 系统的网络单元包括如下部分： 1 用户终端设备( l r e ) l r e 主要包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模块以及应用层软件模 块等；l i e 通过u u 接口与网络设备进行数据交互，为用户提供电路域和分组域内 的各种业务功能，包括普通话音、数据通信、移动多媒体、i n t e m e t 应用。l i e 包 括以下两部分；m e ( t h em o b i l ee q u i p m e n t ) ，提供应用和服务：u s i m ( t h eu m t s s u b s r i b e r m o d u l e ) ，提供用户身份识别。 2 陆地无线接入网( u t r a n ) u t r a n 处理所有与无线有关的功能，分为基站( n o d e b ) 和无线网络控制 器( r n c ) 两部分。u t r a n 完成准入控制、拥塞控制、系统信息广播、无线信 4 w c d m a 信道编译码研究与实现 道加密解密、移动性管理、无线资源管理和控制、无线信道编译码、初始( 随 机) 接入检测和处理等功能。 3 核心网络( c n ) c n 处理系统内所有的话音呼叫和数据连接，负责与其他网络的连接。在逻 辑上分为电路交换域( c i r c u i ts w i t c h e dd o m a i n ，c s ) 和分组交换域( p a c k e ts w i t c h e d d o m a i n ，p s ) 。主要功能实体包括m s c v l r 、g m s c 、s g s n 、g g s n 、h l r 。m s c v l r 完成c s 域的呼叫控制、移动性管理等功能；g m s c 完成呼叫的路由功能及网间 结算功能；s g s n 完成p s 域的路由转发、移动性管理等功能；g g s n 完成数据包 在移动网和外部数据网之间的路由和封装；h l r 完成用户的签约信息存放、新业 务支持等功能。 4 w c d m a 通信系统接口 从图2 1 可以看出，w c d m a 系统主要包括c u 、u u 、i u 、i u r 、i u b 五类接口。 c u 接口是u s 蹦卡和m e 之间的电气接口。u u 接口是w c d m a 的无线接口，l i e 通过u u 接口接入到系统的固定网络部分，可以说u u 接口是w c d m a 系统中最 重要的开放接口。i u 接口是连接u t r a n 和c n 的接口。i u r 接口是连接r n c 的 接口，在不同的r n c 之间进行软切换时，移动台所有数据都是通过i l l r 接口从正 在工作的r n c 传到候选r n c 。i u b 接口是连接n o d e b 与r n c 的接口。这些接口 都是开放的标准接口，通过它们相连的设备可以由不同的制造商提供。 2 2 接入网u t r a n 的基本结构 u t r a n 的结构如图2 1 所示。它包含一个或几个无线网络子系统( r n s ) 。 一个r n s 由一个无线网络控制器( r n c ) 和一个或多个基站( n o d e b ) 组成。 图2 2 n o d e b 组成框图 第二章w c d m a 系统结构 5 r n c 用于控制u t r a n 的无线资源。主要完成连接的建立、断开、宏分集 合并、系统信息广播、无线资源管理等功能。它通常通过i u 接口与电路域( m s c ) 和分组域( s g s n ) 相连。 n o d e b 是w c d m a 系统的基站，通过标准的i u b 接口和r n c 互连，主要完 成u u 接口物理层协议的处理。如图2 2 所示。它的主要功能是扩频、调制、信 道编码及解扩、解调、信道译码，还包括基带信号和射频信号的相互转换。同 时它还完成内环功率控制等功能。n o d e b 主要由射频收发放大、射频收发系统 ( t r x ) 、基带处理单元、传输接口单元、基站控制单元五个功能模块组成。 2 3w c d m a 无线接口协议 在w c d m a 系统中，移动用户终端与接入网之间通过无线接口上的无线信 道相连，无线接口定义了无线信道信号的特点、性能等。 图2 3 无线接口协议 无线接口协议分层结构如图2 3 ，它分为物理层( l 1 ) 、数据链路层( l 2 m a c r l c p d c p b m c ) 、网络层( l 3 - r r c m m c m ) 。物理层通过业务接入点s a p s 与 层二的m a c 子层和层三的r r c 子层连接，物理层提供不同的传输信道到m a c 层，m a c 层通过不同逻辑信道给高层提供服务。 其中m a c 子层的主要功能是：逻辑信道和传输信道之间的映射，为每个传 输信道选择适当的传送格式，将高层p d u 复接为通过传输信道传送给物理层的 传送块，并将通过传输信道来自物理层的传送块复接为高层p d u 。 6 w c d m a 信道编译码研究与实现 r l c 子层的功能包括：数据的分割、重组、传送、错误检测、按序发送高层 p d u 、流控、协议错误检测和恢复、加密、挂起和恢复等功能。 物理层处于无线接口协议模型的最底层，它提供物理介质中比特流传输所需 要的所有功能。物理层功能包括：通过传输信道提供数据到m a c 层、传输信道 的错误检测、传输信道的f e c 编译码、传输信道的复用与去复用、速率匹配与去 速率匹配、编码组合传输信道到物理信道的映射、物理信道的调制，扩频与解调 解扩、同步( 码片，比特，时隙，帧) 、闭环功率控制、向上层提供测量及指示、 宏分集、软切换等功能。物理层向高层提供服务是通过传输信道来完成的。传输 信道分为专用信道、公共信道。专用传输信道仅存在一种，即专用信道( d c h ) ， 是一个上行或下行传输信道。共有六类公共传输信道：广播信道( b c h ) 、前向 接入信道( f a c h ) 、寻呼信道( p c h ) 、随机接入信道( r a c h ) 、上行公共分 组信道( c p c h ) 和下行共享信道( d s c h ) 。传输信道复用后将映射到物理信道 上。物理信道是由一个特定的载频、扰码、信道化码、开始到结束时间段，相对 的相位来定义。物理层的算法模块主要包括信道编译码和扩频解扩。 2 4 信道编译码在系统中所处的位置 在w c d m a 基站中，信道编译码由n o d e b 基带处理模块实现。在三层无线 接口协议中，主要完成物理层传输信道相关功能。 在上行链路，基站天线接收到移动终端发出的信号后，通过射频接收滤波和 下变频转换为中频信号，再经过中频采样和数字下变频等处理后成为基带信号。 基带信号首先由r a k e 接收机进行解扩解调，然后进行信道译码处理，过程如下： 合并物理帧、第二次去交织、物理信道合并、去传输信道复用、去速率匹配、无 线帧合并、v i t e r b i 译码t u r b o 译码、传输块去级连、组f p 帧。组成f p 帧后通过 接口模块送到r n c 进行高层业务处理。 在下行链路，r n c 把需要发送给移动终端的数据组成f p 帧，并送给基站基 带处理模块。在基带处理中首先进行信道编码处理，过程如下：添加c r c 校验、 传输块级连和分段、卷积编码t u r b o 编码、速率匹配、第一次d t x 插入、第一 次交织、无线帧分段、传输信道复用、第二次d t x 插入、物理信道分段、第二 次交织、物理信道映射。接着对各个物理信道的数据进行扩频加扰，扩频就是通 过与信道化码相乘将每一个数据符号转换为若干码片，每一个数据符号转换的码 片数称为扩频因子，扩频因子可以取值4 _ _ 2 5 6 ，码片速率是3 8 4 m c h i p s 加扰就 是将扰码与扩频后的码片符号相乘。扩频调制后的信号经过中频和射频处理后通 过天线发送给移动终端。 第三章信道编译码算法分析 7 第三章信道编译码算法分析 来自去到m a c 层和高层的数据流( 传输块传输块集) 将被编码译码以在 无线传输链路上提供传输服务。信道编码方案由差错检测、差错纠正、速率匹配、 交织及“传输信道到物理信道的映射”等组成。 从高层过来的数据以传输块集的形式到达编码复用单元，在每个传输时间 间隔传输一次，映射到不同的传输信道，传输信道表示为t r c h ，传输时间间隔 用t t i 来表示，t t i 取 1 0 m s 、2 0 m s 、4 0 m s 、8 0 m s 中的一个值，每个t r c h 在一 个t t i 内传输多个传输块，传输块用t b 来表示。多个t r c h 以1 0 m s 为单位进行 复用，复用后行成一个组合传输信道，表示为c c t r c h 。一个c c t r c h 可以映射 到一个或多个物理信道，物理信道用p h c h 来表示。一个p h c h1 0 m s 内的数据组 成一个无线帧，每个无线帧又分为1 5 个对隙。 用于上行链路和下行链路的编码复用步骤分别如图3 1 和图3 2 所示。包括 差错检测、传输块级连和码块分割、信道编码、无线帧均衡、速率匹配、d t x 非 连续比特插入、第一和第二次交织、无线帧分割、传输信道复用、物理信道分段 和到物理信道的映射等。下面对这些处理分别进行介绍。 3 1 差错检测 差错检测功能通过传输块上的循环冗余校验来提供。c r c 长为2 4 ，1 6 ，1 2 ，8 或 0 比特，每个t r c h 使用的c r c 长度由高层信令给出。c r c 的功能是检错，不具 备纠错功能。整个传输块被用来计算c r c 校验比特。校验比特的产生来自下 面的一个循环生成多项式： g c 刚( d ) = 酽+ d 2 3 + d 6 + d 5 + d + 1 g c m 6 ( d ) = d 1 6 + d 1 2 + d 5 + 1 r c l 2 ( d ) = d 1 2 + d 1 1 + d 3 + d 2 + d + 1 晒( d ) = d 8 + d 7 + d 4 + d 3 + d + 1 一个传输块比特多项式用x ( d ) 表示，c r c 多项式c ( d ) 为x p ) 乘以d 的k 次方后再除以生成多项式g ( d ) 得到的余数多项式。求得c r c 多项式，即可得 到c r c 比特。c r c 校验比特附加在传输块的后面，为了进行盲速率检测，c r c 校验比特必须进行比特反转。在接收端，用接收比特( 信息比特+ c r c 校验比特) 8 w c d m a 信道编译码研究与实现 形成的多项式除以c r c 生成多项式，若余数为0 ，说明该数据块没检测到错误， 若余数不为0 ，说明该接收数据块有错误。 图3 1 上行链路的传输信道复用结构 第三章信道编译码算法分析 9 图3 2 下行链路传输信道复用结构 1 0 w c d m a 信道编译码研究与实现 3 2 传输块的级连和码块分割 传输块级连就是将t r c h 一个盯i 内全部传输块按先后顺序连接起来。 不同的编码方式最大编码块长度不同。卷积编码的最大编码块长度为5 0 4 ： t u r b o 编码的最大编码块长度为5 1 1 4 。如果级连后的码块长度大于最大编码块长 度，那么级连后的比特序列将进行等分，等分后的码块长度小于最大编码块长度， 如果级连后的码块不能等分，那么必须在第一块的开始处填充一些0 比特，使得 分割后的码块长度相等。如果使用t u r b o 码，且级连后的码块长度小于4 0 ，也要 在码块的开始处填充比特0 ，使得码块长度等于4 0 。这些填充比特也将被传输， 且值总是为0 。 3 3 信道编译码 t r c h 根据卷积编码、t u r b o 编码、无编码三种信道编码方案进行编码： 表3 1 中显示了不同类型t r c h 的编码方案和编码速率。一般情况下语音和 低速信令采用卷积编码，数据采用t u r b o 编码。设k 是编码前每一个码块的比特 数。y 是编码后的比特数。对于卷积编码，速率为l 2 时，y = 2 * k + 1 6 ；速率1 3 时，y = 3 * k + 2 4 ；对于t u r b o 编码，速率1 3 ，y = 3 * k + 1 2 。对于无编码，y = k 。 表3 1 不同信道使用的编码类型和编码速率 1 佩o f t r c hc 础嵋s g h t m ac e d l m gr a t e b c h p c hl ，2 r a c h c o n v o i n t i o n a lc o d i n g 1 3 ，1 2 c p c h ，d c h ，d s c h ，f a c h t u r b o c o d i n g 1 3 n o c e d i n g 3 3 1 卷积编码 在w c d m a 系统中，采用的卷积编码器约束长度k = 9 。有 3 和1 2 两种编 码速率。卷积编码器的结构如图3 3 所示。1 3 速率的卷积编码器输出次序为 o u t p u t 0 ，o u t p u t l ，o u t p u t 2 ，o u t p u t 0 ，o u t p u t l ，o u t p u t 2 ，。1 2 速率的卷积编码 器输出次序为o u t p u t 0 ，o u t p u t l ，o u t p u t 0 ，o u t p u t l ，。编码前，编码器的移 位寄存器的初始值应为全0 。编码前应在码块后加上8 个值为0 的尾比特，使 得编码完成后移位寄存器的状态恢复为0 状态。 第三章信道编译码算法分析 卷积码性能主要与其编码速率、约束长度有关。编码速率越小，则编码冗余 度越大，纠错性能越好，但占用带宽也越大；约束长度越大，其纠错性能越好， 但带来的问题是译码复杂度增加。 7 u ! 旷 了呵 凹 几可 7 叫l7 u 叮1 一上。i v” i ，j ?。i r 图3 3 编码速率位i 2 和l ，3 的卷积编码器 o u t o u t 0 g u = 5 6 1 ( o c t a l ) o u 叫1 g 1 = 7 5 3 ( o c t a l ) o u t p u t 0 g o = 5 5 7 ( o c 乜1 ) o u t o u t l g 1 = 6 6 3 o c t a l ) o u t o u t 2 g 2 = 7 1 1 ( o c 舡1 ) 3 3 2 卷积译码 卷积码的译码方法有门限译码、硬判决v i t e r b i 译码和软判决v i t e r b i 译码。 其中软判决v i t e r b i 译码的效果最好，是通常采用的译码方法。下面我们主要介 绍软判决的v i t e r b i 译码方法。 设待编码的序列为m m 。，i l l 2 ，m k ) ，编码后的序列为y fy 。，y ：， y 。) ，在单位时间内输入1 个码元后编码器产生的n 个输出码元( 其中n = 2 或3 ， 对应编码速率为1 2 或1 3 ) 。通过信道后的接收序列为r r 1 ，r 2 ，- o - pr l ) 。由 于信道是非记忆性的，其条件概率函数为： p ( r u ) - - p 伍，) = n ：。p ( r , y ，) = n ：。兀二p ( o7 蛳) ( 3 1 ) 使上式取最大值的输入序列m 便是信道译码的输出序列。为了方便计算，取 对数得到对数似然函数为： q c r ，m ) = q ，l ，) = ：。：，l n p ( 勺y ) ( 3 2 ) 该值在卷积译码中也称为路径度量。假设信道是加性高斯白噪声( a w g n ) 信道，传输序列y 的取值分别为+ 1 或一1 ，其符号能量为e s ，信道噪声的单边 功率谱密度为n o ，按照高斯分布的概率密度函数可以得到： ”，= 。l n p ( r j t y j l ) = 軎睦。白2 一幔+ 2 c , 。勺咖j - n l l l 帆) 2 ( 3 3 ) 1 2 w c d m a 信道编译码研究与实现 式中n 为编码器输入k 个数据后输出的包括监督码元的码元总个数。 上面的u ，实际上是译码状态机第j 次翻转时不同分支的概率大小，称为分支 度量。上面的公式中每个码符号能量e s 、2 和n o 都可以作为公共参量，不同的 分支度量中这些参量的贡献是完全一样的，因此我们实际在软判决中采用的分支 度量为：u j = 。勺蜘。分支度量之和，即为路径度量： 盎陋，m ) = 壶忸，y ) = ：。 ( 3 4 ) 因此译码的最优解就是使上式取最大值时的编码输入m 或y 。 实际的v i t e r b i 译码器采用的是如图3 4 所示的格状图译码，该图是一个包含 2 5 6 行k + 8 列节点的矩阵，k + 8 列表示输入编码器的k 个待编码比特加上8 个 尾比特0 ，2 5 6 行表示编码器内部寄存器的2 5 6 个状态。第i 个输入使得第i 列节 点状态转移到第i + 1 列节点，对应输入0 或1 ，每个节点有两种状态转移，每次 状态转移输出2 个或3 个编码后的比特，每次状态转移概率由分支度量来表示。 状态转移图的初始状态为0 ，终止状态也为0 。 图3 4 t m - b i 译码的格状图 在v i t e r b i 译码算法中，对任意一个状态，计算它对应两个状态转移的两个分 支度量，将前状态的路径度量与当前分支度量进行相加，所得到的值与另外一个 相加和进行比较，保留一个较大的作为该节点的路径度量，并保存该条路径( 称 为幸存路径) 。如此循环进行，最终求出所有状态的路径度量，比较最后一列2 5 6 个状态中具有最大路径度量的状态，作为最后的状态，然后按照保存的路径进行 回溯，就可以得到所有的状态迁移过程，即得到所有的编码器输入和输出比特。 在实现中并不是以一次完成所有状态路径度量的计算，一般是进行5 7 倍约 束长度的路径度量的计算，就开始选取此时2 5 6 个状态中路径度量最大的作为假 设的当前状态，开始根据保留的路径迁移情况，进行回溯译码。因为3 5 倍约束 长度以后，数据的相关性已经非常小了，而且这样可以大大减少存储量。 3 3 3 t u r b o 编码 第三章信道编译码算法分析 1 3 t u r b o 编码器是由两个8 状态编码器构成的并行级联卷积编码器和一个t u r b o 码内交织器组成。t u r b o 码的编码速率是1 3 。t u r b o 编码器结构见图3 5 。其中8 状态转移函数为： ( 3 5 ) 在输入比特开始编码前，两个8 状态编码器的移位寄存器的初始值应该为全0 。 t u r b o 编码器的输出序列为：x t , z l ，z l ，x 2 ，z 2 ，z ，h ，z x ，z ；。这里， 置是比特 数，x 1 ，靠称为系统比特，是输入到第一个8 状态编码器和t u r b o 码内交织器的 比特；z ，是第一个8 状态编码器的输出比特，称为第一奇偶校验比特； z ，z 。是第二个8 状态编码器的输出比特，称为第二校验比特。t u r b o 码内交 织器的比特输出可以表示为x l ，靠，它们作为第二个8 状态编码器的输入。 t u r b o 编码终止操作是在所有的信息比特编码后，再增加从移位寄存器反馈 得到的1 2 个尾比特。开始的6 个尾比特用于终止第一个子编码器，而同时第二 个子编码器不工作。后面6 个尾比特用于终止第二个子编码器，而同时第一个子 编码器不工作。这1 2 个尾比特为： 工r “，z r + l ，工r + 2 ，z r + 2 ，工f + 3 ，z x + 3 ，x k + l ，z r + l ，x r + 2 ，z r + 2 ，工k + 3 ，z f + 3 15 ? 竺m 。“。“。o d 一 z k x l 一丫 一下 l l 一j = i n p u t t u r b oc o d e i n t e r n a ii n t e r l e a v e r o u t p u t 2 叫? 竺m ”m ”c o d e 一n 钯翌雪，。 图3 5 速率l ，3 的t u r b o 编码器结构( 点线只在格栅终止时使用) t u r b o 编码的内交织器的设计比较复杂，其长度从4 0 一直到5 1 1 4 ，由比特输 1咖。j 1 4 w c d m a 信道编译码研究与实现 入矩阵、矩阵的行内置换和行间置换、比特输出矩阵这几部分组成。交织器先按 一定的行数按行把比特写入矩阵，再按一定的规则进行行内置换和行间置换，最 后按列从矩阵中输出。 t u r b o 码的优点在于其纠错性能较好，缺点在于其译码复杂度和译码延时较 大。所以t u r b o 码主要适合于对时延不敏感的数据业务。 3 3 4 t u r b o 译码 t u r b o 码的迭代译码算法包括s o v a ( 软输出v i t e r b i 算法) 、m a p ( 最大后 验概率算法) 等。由于m a p 算法的每一次迭代性能的提高都优于v i t c r b i 算法， 因此采用m a p 算法的迭代译码器可以获得更大的编码增益。实际实现的m a p 算 法是l o g m a p 算法，它将m a p 算法置于对数域中进行计算，减少了计算量。下 面我们从m a p 算法原理入手来介绍t u r b o 码的译码技术。 3 3 4 1 m a p 算法 舰廿算法称为最大后验概率算法。该算法根据接收的整个序列r 对每个传 输符号计算它的软输出值，该值用最大后验概率的形式表示。其对数似然函数比 表示为： a 。) = os躺pt m 0 ，f =月j ( 3 6 ) 兵中1 ( f f ，f 是编码前序列的长度，如果对每个编码前符号计算得到这个 后验概率，那么将它进行门限判决就可以得到卅f 的硬判决值为： m ，= 1 ，i fa ( 埘。) 0 ；m ，= 0 ，i fa b 。) 0 ( 3 7 ) 后验概率人( ) 作为软信息，可以用于下一级的迭代的译码过程中，多次迭 代后通过门限0 对其进行硬判决就可决定输入的比特砖，完成译码。下面计算 a ( 以) ，首先定义以下三个中间量： q ( ，) = = 钆，( ) f l ) ，) ( 3 8 ) 屈( f ) = ：t 。, - 。t 尼+ 。盼枷) y i l + i ) ( 3 9 ) y j ( f ，) ：p ，o ) 。p f 一；：；! ! ；：；：巡 ，( ，硝 c s t 。， 第三章信道编译码算法分析 其中m ，表示输入编码器的比特( 1 t f ，f 是编码前序列的长度) iy t 表示 编码后的发送序列，表不接收序列( j 2 0 、1 、2 ，分别对应编码后发送或接收 序列中的系统位、第一奇偶校验位、第二奇偶校验位) ，接收序列是发送序列在 信道中被一个零均值、方差为盯的高斯白噪声干扰所得。编码过程可以被建模成 一个离散时间、有限状态的m a r k o v 过程，其状态数为z ( 表示编码器中寄存器 的状态) 。我们假定该过程的初态为s 。= 0 ，最终状态为s = 0 。p f o ) 是埘，= i ( j = od ri ) 的先验概率，一，( f ) 是在输入m t = i 时发生状态从置一。= ，到置= ，迁移 时编码器输出。耳表示输入比特m t = i ( i = 0n r1 ) 时，由此产生的所有可能的 从s 一，= r 到墨= ，的状态转移。，表示编码器的两个状态，0 - l ，z - 1 。 根据这三个中间量得人眠) 为： 蝌杂裂咖既糕 因此m a p 算法得计算过程如下： 1 前向递归：计算q ( ，) 和一( ，) 。 2 反向递归：计算屈o ) ，其中y m ( f ，) 是前向递归得到的。 3 对t t ，计算对数似然比a h ) 。 上面讲述的m a p 算法应用于有限长度f 的序列译码，实际操作中可以采用滑 窗的方法进行部分长度的序列译码，避免过多的内存需求。m a p 译码算法需要大 量的内存和大量的运算，包括指数和乘法运算，实现比较复杂。因此通常对三个 中间量取对数，并采用l o g ( e 最+ 毋+ a + e a ”) 。；。器p 进行近似计算( m a x l 。g m a p 算法) 得： a 瓴) “m a x 妊一。( f ) + 磊( f ) + 元1 ( f i ，f ) j m a x 拓一。( f ) + 五( ) + 只。( f ，硝( 3 1 2 ) 瓦( ) = m a x k 一。( f ) + 只( f ，”，f o r o l 互- 1 ，i = 0 , 1 ( 3 1 3 ) 万( f ) = m a 】【惦+ ，o ) + 办+ t ( f ，) ，f o r o 4 0 m4 8 0 m s8 ( 5 ) 从经过列间置换后的矩阵的第一列开始，按列读出的序列即为经过第 一次交织后的输出序列。 对于下行链路，当工作在打孔的压缩模式中时，在第一次交织前的速率匹配 中增加了额外的打孔，为被压缩的比特留出了空间。将要被压缩的比特用p 表示， 此时，在输入到第一交织器前，要在输入的比特序列中按一定的规则中添加 坤：翟个p 比特，在后菌的t r c h 复用过程中将被删除，从而制造出实际的空隙。 对于上行链路和下行链路其它模式，第一次交