（通信与信息系统专业论文）wcdma中turbo码的编译码算法及dsp实现.pdf

y 5 8 6 2 8 2 北京交通大学硕十研究生学位论文 摘要 在第三代移动通信中首次引入高速数据业务。 作为wc d m a移动通 信系统的关键技术之一， t u r b o码第一次 应用于移动通信系统，它以优 异的 性能， 保证了 数据业务 严格的 误码率要求。目 前， w c d m a标准进 一步引入短交织长度的t u r b o 编码方案，它可能会在部分语音业务中适 用。 本文就是为了研究wc d ma系统中t u r b o 码编码方案的性能， 进行 硬件编译码实验平台的设计。 首先，论文简单介绍了w c d ma系统结构。接着阐述了t u r b o码 的一般结构， 译码原理， 性能分析方法， 然后介绍了w c d m a系统的信 道编码复用方案。 本论文对目前常用的 t u r b 。 码译码算法进行总结，详细分析了其分 量码译码器的译码算法;分析了使用 t u r b o 码译码器的提前结束算法。 使用ma t l a b软件对 wc d ma系统中的t u r b o 码译码进行了仿真，并 分析 比较 了各种译码器的译码性能。在此基础上提 出采用 c o n s t a n - l o g - m a p 译 码 算法实 现译 码。 介绍了数字信号处理技术和 t i公司的高速数字信号处理芯片 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 。 并 对在t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 数字 信号处理器 上实 现的 信道编 码方案进行了说明。 关键词: t u r b o c o d e , wc d m a , d s p ， i n t e r l e a v e r 第 t 页共 1 1 5 页 未经作者、 导y :i ly 11 愈 勿全文公布 北京交通大学硕士研究生学位论文 ab s t r a c t s t h e h i g h r a t e d a t a s e r v i c e s w a s f i r s t l y i n t r o d u c e d in 3 g . t h e f i r s t u s e d t u r b o c o d e s i s o n e o f t h e k e y t e c h n o l o g y i n wc d ma m o b i l e s y s t e m . i t h a s a e x c e ll e n t b e r p e r f o r m a n c e t o m e e t t h e s t r ic t d a t a s e r v i c e r e q u i r e m e n t s . r e c e n t ly， t h e wc d ma s p e c i f i c a t i o n e m p l o y s a k i n d o f s h o rt fr a m e t u r b o c o d e s s c h e m e , i t c o u l d b e u s e d f o r s o m e v o i c e s e r v i c e . t h i s p a p e r r e s e a r c h e s t h e p e r f o r m a n c e o f s p e c i f i c t u r b o c o d e s u s e d i n wc d ma , a n d e x p l o r e s t h e i m p le m e n t a t i o n o g h a r d w a r e . a b o v e a l l , t h i s p a p e r d e s c r i b e s wc d ma mo b i l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m i n b r i e f . n e x t , i t i n t r o d u c e s t h e g e n e r a l a r c h i t e c t u r e o f e n c o d e r , t h e p r i n c i p l e s o f d e c o d i n g a n d t h e p e r f o r m a n c e a n a l y s i s a b o u t t u r b o c o d e s . we s u m m a r i z e t h e d e c o d i n g a l g o r i t h m o f th e t u r b o d e c o d e r , a n d a s i m p l i f i e d c a l c u l a t i o n a l g o r i t h m o f b r a n c h m a t r i x e s i s p r e s e n t e d . t h e m a j o r e a r l y - s t o p p i n g a p p r o a c h e s i n l i t e r a t u r e a r e d i s c u s s e d . t o a c h i e v e t h e p r o p e r p a r a m e t e r s f o r r e a l i z a t i o n o f h a r d w a r e d e c o d e r , t h e a u t h o r t o o k t h e s i m u l a t i o n o n wc d ma t u r b o d e c o d i n g w i t h ma t l a b s o f t w a r e . a c c o r d i n g t h e c o m p a r i s o n o f a l l s i m u l a t i o n r e s u l t s , w e p r o p o s e d a c o n s t a n t - l o g - ma p d e c o d e r i s s u i t a b l e f o r wc dma t u r b o d e c o d e r . t h e d s p t e c h n o l o g y a n d t i s d s p c h i p - t ms 3 2 0 c 5 4 0 2 a r e i n t r o d u c e d . t h e r e a l i z a t i o n o f a s y s t e m d e s i g n i n h a r d w a r e i s d i s c u s s e d in d e t a i l i n t h i s e s s a y . k e y wo r d s : t u r b o c o d e ， wc d ma , d s p , i n t e r l e a v e r 第 2 页共 1 1 5 页 北京交通人学硕 l 研究生学位论文 第， 章绪论 差错控制编译码的历史始于1 9 4 8 年香侬 ( c l a u d e s h a n n o n )发表的 一篇著名论文“ a m a t h e m a t i c a l t h e o ry o f c o m m u n i c a t i o n . 1 香侬奠定了 信息论的基础，证明了只要错误产生的速度低于信道容量，即可自由的 传送信息， 他指出， 对于任何一个通信信道总存在一个信道容量c , 只要 通信系统传输的信息速率r小于信道容量c ，就有可能用差错控制码为 此信道设计一个通信系统使得输出错误概率任意小。然而传统的短码结 构与信道极限还有着很大的距离，尽管只要码字长度足够长，随机编码 也能保证错误率任意小，但在作用于大维数时，山于码字数量巨大，使 译码不可能实现。 很久以来人们一直在寻找码率接近香侬理论值， 误差概率小的好码， 并提出了 许多构造好码的方法。1 9 9 3 年b e r r o u 等人提出的t u r b o 2 码， 它能工作于与 s h a n n o n 容量极限相差 。 . 5 d b的情况下，这比目 前所知道 的所有其它编码技术性能都好。因此t u r b o 码迅速成为国际信息论和编 码理论的研究热点，并被试图应用到各种通信系统中。 t u r b 。 码在1 9 9 3 年提出，第一个商用的t u r b 。 码调制解调器于1 9 9 7 年被测试。 随后又被应用于如下领域: 如深太空通信 3 ， 移动卫星/ 蜂窝 系统，微波联接，寻呼，o f d m和 c d ma体系等。不论是什么样的目 标信道， t u r b 。 码的性能比以前所有已知的编码方案的都好。 t u r b o 码所 提供的额外的编码增益可用于节约带宽或减小链路预算中的功率需求。 t u r b 。码的强大纠错能力可以被几乎所有的信道识别和接受，大大增加 了 数 据传 输速 率， 提 高了 服 务 质量 ( q o s ) a 第二代移动通信系统中，卷积编码和交织的应用对于保证话音质量 第 7 页共 1 1 5 页 北京交通大学硕 上 研究生学位论文 和低数据业务的质量有很好的效果。第三代移动通信系统在第二代的基 础上，所需要提供的业务种类对差错控制编译码提出了更高的要求。在 i t u有关i m t 2 0 0 0 系 统的 建议中， 并 未对采用何 种纠错编码方式做出 规 定， 只是规定了 要达到的 误码率标准， 一般语音业务b e r在1 0 -3 数据业 务在1 0 -“ 以 下。 现在己 定的三大标准中， 主 要包括欧洲和日 本的w c d m a 系统 4 、 美国的c d m a 2 0 0 0 系统仁 5 和中国的t d - sd m a系统 6 1 ，普遍 把t u r b 。 码作为数据业务的编码方案。因而t u r b 。 码称为第三地移动通 信的关键技术之一。 本沦文着重研究wc d ma移动通信系统中t u r b o 码的编译码算法及 其硬件实现。 1 . 1 三代移动通信系统介绍 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， 其频率利用率较低， 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，他的典型代表是美 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 ma多 址方式。i s - 9 5 是北美的另一种数字蜂窝标准，采用c d ma多址方式。 为了解决中速数据传输问题，又出现了2 . 5代移动通信系统，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 m b i t / s 、室内外步行环境可达 3 8 4 k b i t/ s , 第 8 页共 1 1 5 页 北京交通大学硕士研究生学位论文 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 .c d m a 2 0 0 0 技术体制 c d m a 体制是基于 i s - 9 5 的标准基础上提供的3 g标准。它的核心网 逻辑上分为电路域和基于移动 i p 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 x 1 .2 5 m h z ; 码片速率 n x 1 .2 2 8 8 m c p s ; 8 k / 1 3 k q c e l p或 8 k e v r c语 音编码。 c d m a 2 0 0 0 系统保留了 依靠全球定位系统( g l o b a l p o s i t i o n s y s t e m , g p s ) 实 现小区同步;话音和窄带数据业务按照 i s - 9 5方式实现，宽带多媒体业 务通过灵活配置得多载波 c d ma方式完成;系统同时支持a n s i - 4 1 核 心网和 g s m- ma p 核心网;上行信道采用连续导频方式，基站得以实现 相干检测，比起 i s - 9 5的上行非相干检测有很大性能提高，进一步增大 了系统容量。 其他方面， c d m a 2 0 0 0 充分利用了i s - 9 5 的成熟技术。 i s - 9 5 向c d m a 2 0 0 0 的演进的策略是: 1 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 t / s )一c d m a 2 0 0 0 l x . 2 . wc d ma技术体制 wc d ma系统标准没有将第二代系统的兼容作为设计目 标， 而且在 很多方面， 例如不采用g p s定时同步， 刻意绕开i s - 9 5 的专利， wc d ma 是一种全新的设计，可以 充分发挥宽带c d m a的核心网与g s m / g p r s 的全部潜力。wc d m a系统采用导频符号相干 r a k e接收，提高了反 向信道容量;可选传输格式联合指示( t r a n s p o r t f o r m a t c o m b i n a t i o n i n d i c a t i o n , t f c i ) ,提供了 灵活多 变的多承载业务能力; 采用上行联卢反馈 信息( f e e d b a c k i n f o r m a t i o n , f b i ) 支持包括闭环发射分集( c l o s e l o o p m o d e t r a n s m it d i v e r s i ty ) 、空时发射分集( s p a c e - t i m e t r a n s m i t d i v e r s i ty , s t t d ) . 第 ， 页共 i 巧 页 北京交通大学硕十研究生学位论文 时间开关发射分集( t i m e s w i t c h e d t r a n s m i t d i v e r s i t y , t s t d ) 、站点 选择分 集控 制 ( s it e s e l e c ti o n d iv e r s it y t r a n s m i t ,s s d t ) 等需 要 移 动台 及时 向 基 站 反馈信息的新技术;采用开环加自 适应闭环的精确功控;并为诸如智能 天线、多用户检测等新技术的 应用留 有接口。同时， wc d m a通过热点 小区和层次化小区结构( h i e r a r c h i c a l c e l l s t r u c t u r e , h c s ) 在人口 密集区 提 供高密度大容量的服务，并采用压缩模式进行信道测量。 wc d ma系统 虽与g s m反向兼容， 但实际上，由 于在帧长度等方面差别较大， 无法 利用原来的g s m基站和移动台。 wc d ma 的核心网和 g s m/ g p r s 网络 兼容，可以向全 i p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i p 方向发展。空中接口 采用wc 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wc d m 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 i mt - 2 0 0 0 wcdma. 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. 该系统是脱胎于信威 公司的无线本地环( w i r e l e s s l o c a l l o o p , w l l ) ，其设计思想是充分利 用智能天线的空分多址原理， 提高频谱利用率。 缩写中的“ s ”是指智能 天线、同步及软件无线电。其突出优点是:支持非对称业务，特别有利 于无线工 n t e r n e t 接入; 易于采用多用户联合检测; 支持智能天线， 降低 了对发射功控的要求; 支持“ 接力切换( b a t o n h a n d o v e r ) ， 无缝地将移 动台从一个基站 “ 接力传递”给下一个基站，避免了软切换时多个基站 第 t o 页共 1 1 5 页 北京交通大学硕士研究生学位论文 同时连接造成的资源浪费， 进一步提高了系统容量。 但是， t d - s c d m a 无 法实现软容量，难于实现软切换，且由于码片速率低而不能很好地利用 多径分集能力，因 此没有充分发挥c d m a的 优点。 t d - s c d m a 更适合于覆 盖范围小， 容量高， 用户移动速率低的应用场合。 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。g s m向t d - s c d m a 的演进策略类似g s m向w c d m a的演进。 1 . 2 本文的主要工作 本文主要集中研究了t u r b o 码的编译码算法，并在此基础上用d s p 实现了wc d m a移动通信系统的t u r b 。 码译码器。 本论文第2 章主要对wc d m a移动通信系统的构成进行了 介绍， 包 括移动通信网的构成，接入网u t r a n的基本结构，wc d ma无线接口 协议， 信道编译码在系统中所处的位置等部分。 在 wc d ma集站中， 信 道编译码由n o d r b基站处理模块实现。 第3 章主要讲述了信道编码的基本概念和t u r b o 编码原理。信道编 码的奠定者香侬提出了最佳编码的基本条件之一时采用随机编译码方 式。t u r b o编码最重要的特点是伪随机编码，这一特点是通过 t u r b o编 码器的独特结构实现的。t u r b 。码编码器由至少两个分量码编码器和一 个交织器组成。分量码编码器经交织器并行级连后，各分量编码器的输 出经过打孔复接后输出。t u r b 。码的交织器及两个分量码编码器的并行 级连实现了编码器的伪随机化。t u r b 。码使用简单的结构实现了伪随机 编码，使其具有接近s h a n n o n 限的优异性能。 第4 章论述了w c d m a系统的 信道编码复用方案， 包括差错检测， 传输块的级连和码块分割以及信道编译码。 第 1 1 页共 1 1 5 页 北京交通大学硕士研究生学位论文 第5 章是本论文的 重点。主要介绍了t u r b o 码迭代译码算法。首先 介绍了常用的t u r b o 码迭代译码算法，并总结了各种译码算法之间的关 系和优缺点。t u r b o码的译码算法一般是指 t u r b o码译码器内的分量译 码器所采用的译码算法，一般采用软输入、软输出的概率译码算法，大 致可以 分为两大类，一类是通过对标准的维特比 译码算法( v a ) 改进得到 的 译码算法， 最主要的有软输出 维特比 译码算法( s o v a ) 和串 行列表维特 比算法。这类算法都是基于最大概率序列准则的。另一类是逐比特最大 后验概率译码算法( m a p ) . m a p 算法中最主 要的是b c j r算法，因 而也 简称 m a p算法。l o g - m a p算法是 m 八 p算法在对数域的 表达形式。 m a x - l o g - m a p , c o n s t a n t - l o g - m a p和 l in e a r - l o g - m a p算法都是对 l o g - m a p 的进一步简化。 在第2 节中 详细的 介绍了t u r b o 码分量码译码 器算法， 包括 m a p算法及其在对数域的简化算法 l o g - m a p算法和 m a x - l o g - m a p , c o n s t a n t - l a g - m a p 和l i n e a r - l o g - m a p 等算法。 并在第3 节中详细分析了t u r b o 译码器的整个迭代译码过程和常用的t u r b o 码译 码提前结束算法，主要包括迭代译码内部息息的提前结束算法和利用外 部信息的提前结束算法。在第4 节中着重讲述t u r b o 码译码仿真结果和 性能分析。经过仔细的性能比较和译码算法复杂度分析，提出了选择 c o n s t a n t - l o g - m a p 作 为t u r b o 码d s p 实 现的 迭 代 译 码 分 量 译 码 算法。 本 节还分析了迭代次数对t u r b o 码译码性能的影响，最后通过短帧和长帧 的性能结果比较，得出结论短帧长的t u r b o 码可以 用于语音业务， 而长 帧的t u r b o 码适用于对误码性能要求高的数据业务。 第6 章中，第 1 , 2 节将简要介绍数字信号处理技术和t i 公司的高 速数字信号处理芯片t ms 3 2 0 5 4 0 2 ;第3 节说明了编译码d s p 在系统中 的位置和作用; 第4 节进行了d s p 接口 流量分析; 第5 节给出了本设计 第 1 2 页共 1 1 5 页 北京交通大学硕士研究生学位论文 中的系统硬件结构设计; 而最后一节给出了d s p 实现t u r b o 码译码器的 具体实现方法。 第 1 3 页共 1 1 5 页 北京交通人学硕士研究生学位论文 第2 章w c d m a 系统结构 通常把采用 wc d ma空中接口技术的第三代移动通信系统称为 wc 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 o a c c e s s n 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。 图2 . 1 w c d m a系统构成框图 2 . 1 wc d ma通信系统网络构成 wc d ma系统的网络单元包括如下部分: 1 .用户终端设备 ( u e ) u 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; u 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 rn e t 应用。 u e包括以 下两部分: m e ( t h e mo b i l e e q u ip m e n t ) , 第 1 4 页共 1 1 5 页 北京交通大学硕 卜 研究生学位论文 提供应用和服务: u s i m ( t h e u nit s s u b s c r i b e r mo 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，负责和其他网络的连 接。 在逻辑上分为电 路交换域( c i r c u it s w i t c h e d d o m a i n , c s ) 和分组交换 域( p a c k e t s w i t c h e d d o m a i n . , p s ) 。 主要功能实体包括ms c / v l r , g m s c , s g s n , g g s n , h l r . ms c nl r完成 c s 域的呼叫 控制、移动性管理 等功能;g ms 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 数据网之间的路山和封装; h l r完成用户的签约信息存放、 新业务支持 等功能。 4 . wc d m a通信系统接口 从图2 . 1 可以看出，wc d ma系统主要包括c u , u u , i n , i u r , i u b 五类接口。c u接口是 u s i m 卡和 me之间的电气接口。u u接口是 wc d m a的无线接口， u 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 wc d m a系统中最重要的开放接口。i n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 u 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 第 1 5 页共 1 1 5 页 北京交通大学硕_ i s 研究生学位论文 开放的标准接口，通过他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 utran ( r n s ) 。一个 困o d e b ) 组成。 的结构如图 2 .2所示。它包含一个或几个无线网络子系统 r n s由一个无线网络控制器( r n c ) 和一个或多个基站 u rnc 以婴日 i n od eb j t d c - x 日 图2 .2 n o d e b组成框图 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 域 ( ms c ) 和分组域( s g s n ) 相连。 n o d e b是 wc d ma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。 第 1 6 页共 1 1 5 页 北京交通大学硕上研究生学位论文 2 . 3 wc d ma无线接口协议 在 wc d ma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好的特点、性能等。 t 犷甲 用户 率已 ne l21 pdcp lz用m c l2 f rlc 3 am a t l2l 1 ha c 图2 .3无线接口协议 无线接口协议分层如图 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 bm 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ma 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 . 第 1 7 页共 1 1 5 页 北京交通大学硕士研究生学位论文 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 ma 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、宏分基、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( c h a n n e l i z a ti o n c o d e ) 、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 wc d m a基站中，信道编译码由n o d e b基站处理模块实现。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 第 i s 页共 1 1 5 页 北京交通大学硕士研究生学位论文 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。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 。 编码、速率匹配、 第一次 d t x插入、第一次交织、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 ip 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。这其中的细节会在第四章中详细介绍。 2 . 5 本章回顾 本章主要对 wc d ma移动通信系统的构成进行了介绍， 包括移动通 信网的构成，接入网u t r a n的基本结构，wc d ma无线接口协议，信 道编译码在系统中所处的位置等部分。 在wc d ma基站中， 信道编译码 由n o d e b基站处理模块实现。 第 1 9 页共 1 1 5 页 北京交通大学硕 卜 研究生学位论文 第3 章 t u r b o 码原理及应用 当今的个人通信设备己经使在这个星球上任何角落的人们之间的互 相通信成为可能。为提高通信质量、覆盖面积以及运营效率，现代无线 通信系统多采用数字技术。数字技术的使用使我们可以采用差错控制编 码来提高传输的可靠性。在 1 9 9 3年的国际通信会议 ( i n t e rn a t i o n a l c o m m u n i c a t i o n c o n f e r e n c e , i c c) 两位任教于法国 不列颠通信大学的教 授， c . b e r r o u 和 a . g l a v ie u x 与他们的 缅甸籍博士生p .t h i t i m a j s h i w a ， 向 世人介绍了一种新的编、 译码方案 1 ， 其接近s h a n n o n 限的优异性能立 即引起编码界的强烈反响。这种编码方案就是我们要研究的t u r b o 码。 3 . 1 信道编码的基本概念 信道编码的历史始于 1 9 4 8 年香侬 ( c l a u d e s h a n n o n )发表的一篇著 名论文“ a m a t h e m a t i c a l t h e o r y o f c o m m u n i c a t i o n . 2 在信道编码定理中， 香农提出了实现最佳编码的三个基本条件:( 1 ) 采用随机编译方式; ( 2 ) 编码长度 l 一无穷，即分组的码组长度无限; ( 3 ) 译码采用最佳的最大 似然译码算法。在满足这三个条件的前提下，香农认为在有噪信道总可 以实现无差错传输【 。在这一编码定理的理论引导下，人们开始了对设 计出信道好码的探索与研究。信道编码的基本思想是，信号在有噪声信 道中传输，不可避免的会受到噪声的千扰，因而通过增加冗余度来换取 抗干扰性的提高。 编码定理: 假设有噪声离散信道的 信道容量为c ,离散信源的 信息 速率为r ，如果通信系统传输的信息速率r小于信道容量c ，则存在一 种编码方法，使信源的输出能以任意小的错误概率在信道上传输。如果 第 2 0 页共 1 1 5 页 北京交通大学硕士研究生学位论文 r c ，就不可能存在那样的编码方法。 在高斯白噪声时，信道容量为: c= b - 1 0 9 2 ( 1 + s - ) no 万 ( b i t / s )( 3 . 1 ) 式中，b是信道所能提供的带宽，s是信号功率， n 。 是单边带功率谱 密度。对于码率为r 码长为 n 的码，若用最大似然译码，则存在误码性 能限如下: p , - a e - , 0 蕊r - g 2 . e ( r ) c x z c 2 c , r 图3 . 1 误差指数与r ,c的关系 由 式( 3 .2 ) 可以 看出， 信道容量c 、 码长n 和差错概率p 。 之间的转 换关系。为了满足一定的误码率p 的要求，可用一下两类方法实现: 一是增加信道容量， 从而使e ( r ) 增加，由c的表示式可知，增加c 的方法可以 采用如加大系统带宽或增加信噪比的方法达到。例如，采用 调频、调相等宽带调制方法;增加发射机功率:应用高增益天线;采用 分集接收及低误码率的传统方法。 另一种方法是在r 一定的情况下， 增加码长n 可使p 。 随n 的增加而 第 2 1 页共 1 1 3 页 北京交通人学硕 士 研究生学位论文 呈指数下降。但由于码长n的增加，当r 保持一定时，可能发送的码字 数2 “ 指 数增加， 从而增 加了 译码的复 杂性。 这种方法就 是信道 编码定 理 所指出减少误码率的方法。 3 . 2纠错编码的发展 信道的容量只是信道实现无差错传输的一种理论上的极限值。传统 的调制技术的传输性能远远低于香农理论极限。 当时用纠错编码技术后， 许多调制技术都可以达到接近香农极限的良 好性能。纠错编码技术通过 在信息比 特流中加入额外的冗余比特，使得在接收端可以自 动的检查并 纠正一些误码，而达到良 好的传输性能。纠错码一般包括分组码、卷积 码。 分组码是把 k 个信息比 特的序列编成 n 个比特 ( 在非二进制分组码 中则为 n 个非二进制符号)的码组。每个码组的( n - k )个校验位仅与本 码组的k 个信息为有关而与其他码组无关。为了达到一定的纠错能力和 编码效率，分组码的码组长度通常都比较大。编译码是必须把整个信息 码组存储起来，由此产生的延时随着 n 的增加而线性增加。 分组码是第一种纠错编码技术。 1 9 4 6 年， 汉明发现了这种编码方法。 他根据4 个信息比特计算出了3 个校验比特， 然后把这7 个比 特一起传 输。接收端根据这七个比特，可以纠正一个比 特的误码。后来格雷又发 现了一种由1 2 个信息比特和1 1 个校验比特组成的 ( 2 3 , 1 2 )分组码。 他可以纠正每一组中的3 个误码。之后人们又相继发现了一些新的就有 更好纠错能力的分组 码， 包括r m码、 b c h码 7 和r s 码 8 j 卷积码【 9 1 也是把k 个信息比特编成n 个比 特， 但k 和n 通常都很小， 特 别适合以串 行形式传输信息，延时小。与分组码不同，卷积码中编码后 第 2 2 页共 1 1 5 页 北京交通大学硕 1 : 4 0 卜 究生学位论文 的n 个码元不但与当前段的k 个信息有关，而且与前面( n - 1 ) 段的信息有 关，编码过程中相互关联的码元为n * n 个【 1 0 o n 是卷积码的约束长度。 在编码复杂性相同的情况下，卷积码的性能优于分组码。 无论从信息论还是编码理论看，要想尽量提高编码的性能，就必须 加大编码中就有约束关系的序列长度。但是，直接提高分组编码长度和 卷积码约束长度都使得系统的复杂度急剧上升。在这种情况下，f o r n e y 提出了级联码的概念，即以多个短码来构造长码的方法，这样可以减少 译码的复杂度【 1 1 ，同时又能够得到等效长码的性能。一种广泛应用的 级联结构就是以r s 码作为外码，以卷积码作为内码的串联结构。 级联码的大量研究最终结出了t u r b o 码这样一个硕果。1 9 9 3 年，法 国的c . b e r r o u 等提出了一 种的新的纠错码- - - - t u r b o 码 1 1 2 a t u r b o 码使用相对简单的r s c 码和交织起就能够得到接近香农极限的纠错性能。 c . b e r r o u 使用码率r = 1 / 2 、 交织长度为6 5 5 3 6 的交织器， 只需要0 . 7 d b 便得 到了1 0 - 的b e r ，而对应的香农极限是0 . 1 8 d b ，只相差0 . 5 d b o t u r b 。 码一经提出，就以其优异的性能被编码界专家认为是最近几 年来最令人兴奋和最具有潜力的重大发展。 t u r b 。 码与以往所有的码的不 同之处在于它通过一个交织器的作用，达到接近随机编码的目的，并且 是等效分组长度很大。 香农指出“ 随机码” 是一种好码，因此t u r b o 码也必 然是一种好码。此外他所采用的迭代译码策略，使的译码复杂性大大降 低。它采用两个子译码器通过交换称为外信息的辅助信息，相互支持， 从而提高译码性能。外信息的交换是在迭代译码的过程中实现的，前一 次迭代产生的外信息经交换后将作为下一次迭代的先验信息。 t u r b 。 码是近年来备受瞩目 的一项新技术。 虽然他的复杂度大于传统 的卷积码而且有较大的译码时延，但是在无线信道低信噪比的条件下， 第 2 3 页共 1 1 5 页 北京交通大学硕 卜 研究生学位论文 他的性能要优异的多， 所以在第三代移动通信系统的开发中， t u r b o 码被 普遍作为高速数据信道的纠错编码方式，比级联r s + 卷积码性能提高1 d b 以上。 3 . 3 t u r b o 码原理 3 . 3 . 1 t u r b o 码编码结构 t u r b 。 编码器的一般结构如图3 . 1 所示。 ( r s c ) 通过一个交织器并行级联组成的。 ( p c c c ) . 1 3 它是山两个递归卷积编码器 所以也成为并行级联卷积码 信息比特 系统 校验位 令 织 校验位 2 一 - 一 - v i r s c 2! 图3 .2 t u r b 。 码编码器结构 t u r b o 编码器 输出 时 依次 输出 系统比 特x ， 校 验比 特y 1 ， 校验比 特 y 2 。 两个递归卷积编码器结构可以 相同，也可以 不相同。在大多数的 应 用情况下， 为了简化译码器结构，一般使用相同的r s c 。 每个卷积编码 称为t u r b 。 码的t u r b o 码的 成员码( c o n s t i t u e n t c o d e ) . 第 2 4 页共 1 1 5 页 北京交通大学硕十研究生学位论文 d 一 十一一一份十一 一 一 一 一 一 一 图 3 . 3 递归卷积编码 递归卷积编码器的一般结构如图所示。如图卷积编码器中的系数 g , ，g o d = 0 , 1 ,2 , 分别是校验比 特乘积多项式和反馈多项式系数。 在此，对如图的r s c编码器进行一个简单的分析，在这个 r s c编 码器中，记 忆单元v = 3 ， 约束长度k = v + 1 = 4 , 在k 时刻， 输入比特d k , 输 出编码比特c k = ( x k , y k ) o设记 忆