（通信与信息系统专业论文）ieee+80216a中tpc编码技术的研究.pdf

南京邮屯学院研究生论文摘要 摘要 i e e e8 0 2 1 6 a 技术是近年来新的产业热点。本文首先介绍了i e e e 8 0 2 1 6 a 标 准中单载波条件下的物理层技术。物理层的关键技术包括m l m o ，信道均衡和信 道编码等。 对于信道编码技术，本文首先介绍些特殊的码，如r s ，汉明码。接着又 介绍了新的编码方案，其中包括r s v 、t c c 、t p c 以及l d p c 。本文重点介绍 t p c 编码方案。 t u r b o 乘积码( t p c ) 是一种串行级连码。t p c 的译码算法是本文的研究重 点，我们先介绍成熟的p y n d i a h 算法，然后对国际上提出的一种快速c h a s e 算法 s i m o n 算法进行详细描述。最后根据现有的算法提出一种新的简化译码算法。仿 真在两种信道下进行，第一种是在a w g n 信道上对新的简化t p c 译码算法和 p y n d i a h 算法性能的比较，第二种是在s u i 信道上对t p c 各种译码算法和r s v 编码方案性能的比较。通过在两种信道下的仿真比较，证明了t p c 码的这种新 的简化译码算法具有性能好和复杂度低的特点。 关键词：宽带无线接入信道编码t u r b o 乘积码代数译码器 硬判决快速c h a s e 算法 南京邮电学院研究生论文a b s t r a c t a b s t r a c t i e e e8 0 1 1 6 at e c h n o l o g yi san e wi n d u s t r yh o t s p o ti nr e c e n ty e a r s t h ep a p e r f i r s ti n t r o d u c e st h ep h y s i c a ll a y e rt e c h n o l o g e si ns i n g l ec a r r i e ro fi e e e8 0 2 1 6 a t h e k e yt e c h n o l o g i e s i n p h y s i c a ll a y e ri n c l u d e ：m i m o ( m u l t i p l ei n p u t s a n dm u l t i p l e o u t p u t s ) ，c h a n n e le q u a l i z a t i o n ，c h a n n e lc o d i n g ，e t c ， w h e n t a l k i n ga b o u t c h a n n e lc o d i n g ，t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e ss o m e s p e c i a lc o d e s ， s u c ha sr e e ds o l o m o nc o d ea n dh a m m i n gc o d e t h e ns o m en e wc o d i n gs c h e m e sa y e i n t r o d u c e dw h i c hi n c l u d er sv t u r b oc o n v o l u t i o n a lc o d e t u r b op r o d u c tc o d ea n d l o w d e n s i t yp a r i t yc o d e t p c i st h ee m p h a s i so ft h i sp a p e r t p cc o d ei sas e r i a lc o n c a t e n a t e dc o d ea n dt h ed e c o d i n ga l g o r i t h mi st h e e m p h a s i so ft h i sp a p e r f i r s tam a t u r ep y n d i a ha l g o r i t h mi si n t r o d u c e d ，t h e naf a s t c h a s e b a s e ds i m m o na l g o r i t h mi sd e s c r i b e di n d e t a i l f i n a l l y ，a n e ws i m p l i f i e d d e c o d i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h es i m u l a t i o n sa y ec a r r i e do u tu n d e rt w ok i n d so f c h a n n e l su n d e ra w g nc h a n n e l ，p e r f o r m a n c e so fn e ws i m p l i f i e dt p cd e c o d i n g a l g o r i t h ma n dp y n d i a ha l g o r i t h ma r ec o m p a r e d ，a n d u n d e rs u i c h a n n e l ，p e r f o r m a n c e o fs o m ed e c o d i n ga l g o r i t h m so ft p ca n dr s vc o d i n ga r ei n v e s t i g a t e d s i m u l a t i o n r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h en e ws i m p l i f i e dt p c d e c o d i n ga l g o r i t h mp o s s e s s e sg o o d p e r f o r m a n c e a n dl o w c o m p t e x i t y k e y w o r d s ：b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sc h a n n e lc o d i n g t u r b op r o d u c tc o d e a l g e b r a d e c o d e rh a r dd e c i s i o n f a s tc h a s e a l g o r i t h i i 南京邮电学院学位论文独创性声明 x 6 2 8 8 2 6 本人声明所呈交的学位论文是我个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的 地方外，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 含为获得南京邮电学院或其它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。 研究生签名：翠塑鸯吼型7 f 7 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 魏掷郢签名 日期 ， 南京邮电学院研究生论文第一章0 f 言 第一章引言 1 1 论文的选题背景 无线通信是近年来发展最快的产业，从寻呼系统p o c s a g 标准，到移动通 信的g s m 、c d m a 标准，以及3 g 标准之竞争，充分体现通信标准的巨大影响 力。随着数据业务的日益增长，多媒体业务需求的逐渐显现，对无线接入技术。 特别是宽带无线接入技术标准的制订工作正在紧锣密鼓地进行。 无线接入技术e e e8 0 2 1 6 标准于2 0 0 1 年】2 月获得批准，其标题为 a i r i n t e r f a c e f o r f i x e d b r o a d b a n d w i r e l e s s a c c e s ss y s t e m s ”，即“固定宽带无线接入系 统空中接口”。标准对无线接入设备的媒体接入控制( m a c ) 层和物理层制订了技 术规范。 电气电子工程师协会i e e e 不久又推出了运行于2 1 1 g h z 的扩展版本标准 正e e8 0 2 1 6 a ，即“固定宽带无线接入系统的空中接口针对2 1 1 g h z 的m a c 层调整及增加的物理层规范”。其m a c 层和i e e e8 0 2 1 6 基本相同，物 理层则增加了相应规范。新标准适用于特许频段和2 4 g h z 、5 8 g h z 等免特许频 段。由于i e e e8 0 2 1 6 a 标准的实用性，它正在成为新的产业热点，2 0 0 3 年7 月 1 0 日，全球各大媒体报道：业界芯片制造巨头英特尔公司将开发支持高速无线 通信标准i e e e8 0 2 1 6 a 的芯片组，富士通也已宣布开发相应的芯片组。这则消息 使人们自然联想到，2 0 0 3 年年底由于英特尔发布的“迅驰”笔记本电脑芯片集 成了w i f i 无线网卡功能，掀起了世界范围内的w l a n 无线接入浪潮。它直接 导致了无线接入制造商获得了大量的市场机会；一些试图通过建立无线接入热 点，提供接入服务而赢利的商家越来越多。i e e e8 0 2 1 6 a 芯片组的开发，给业界 发出一个信息，i e e e8 0 2 1 6 a 普及的日子已经不远了。 本文就是在i e e e8 0 2 1 6 a 的发展入火似荼的时候，对i e e e8 0 2 1 6 a 技术的 单载波技术下的物理层技术进行了深入的研究。并以信道编码- - t p c 编码为重点 进行研究。 南京邮电学院研究生论文第一章弓i 言 1 。2 信道编码的发展 信源编码主要是为了提高通信系统的有效性，提高信息传输速率，减少信息 存储空间：信道编码用于纠正传输或存储过程中引起的错误，提高通信系统的可 靠性。信息论诞生5 0 多年以来，人们一直努力寻找更加接近s h a n n o n 限、误差 概率小的的编码方法。这几十年内，信道编码获得了一个又一个新的突破，其中 t u r b o 码的出现引起了人们研究的热潮。 在1 9 9 3 年i c c 国际会议上，c b e r r o u ，a g l a v i e u x 和r t h i t i m a j s h i w a 提出 了一种称之为t u r b oc o d e 的编、译码方案，并在迭代1 8 次的情况下，对它进行 了计算机仿真。仿真结果表明，该码具有非常好的性能特性。事实上，这种码称 为t u r b o 卷积码- - t c c 。在信噪比低的无线信道中，和第二代移动通信中的r s v 编码相比，t u r b o 卷积码的性能要好得多，t u r b o 卷积码性能可提高l d b 以上。 从1 9 9 3 年以来，t u r b o 码直是研究的热点。但绝大多数的学者关注的是 t u r b o 卷积码( t c c ) ，很少有人考虑t u r b o 乘积码( t p c ) 。实际上级连码首先 是应用在乘积码上，乘积码是e l i a s 在1 9 5 4 年提出的一种串行级连码。乘积码的 概念很简单，而且能够很有效地用两个或多个短分组码构造出长分组码。对于乘 积码的译码，我们采用迭代译码。这样的效率很高，同时计算通过c h a s e 译码作 出的判决d 的可靠度，这样就可再对每列( 或每行) 运用c h a s e 算法进行判决。 反复如此便形成了t u r b o 码的迭代译码算法。实际证明该t p c 码具有很好的性 能，已经成为近年来的研究热点。 本文就是在基于i e e e8 0 2 1 6 a 信道上对t p c 码进行研究，提出了种新的 t p c 译码算法。 1 。3 本论文简介 本次论文分为下面几个部分： 第二章主要介绍i e e e8 0 2 1 6 a 技术。包括i e e e8 0 2 1 6 a 的技术特点和技术 优势，以及它需要发展的一些关键技术。 南京邮电学院研究生论文第一章引言 第三章将集中讨论e e e8 0 2 1 6a 中单载波系统方案，f e c 信道编码技术正是 该系统方案中的一个重要组成部分。该单载波系统是本文信道编码仿真的系统背 景。本章详细介绍频域均衡的基本原理和实现方法，并介绍了m i m o 技术及其 实现方法。 第四章将讨论f e c 信道编码技术。主要包括r s v ，t p c 和t c c 。t p c 码作 为一个很重要的信道编码标准，是本次论文的研究重点。本文详细讲述了t p c 方案的基本译码算法和一种基于快速c h a s e 的译码算法。然后在这两者的基础 上，推导了一种简化的译码算法。通过在a w g n 信道下译码算法的性能和复杂 度比较，证明该算法具有很好的性能和较低的复杂度。 第五章详细说明s u i 信道模型及其仿真结果。然后，我们将根据前面介绍的 i e e e8 0 2 1 6 a 技术背景，对r s v 、t p c 译码算法进行仿真。通过不同的t p c 译 码算法性能的仿真，和与r s v 算法的性能比较，可以证明t p c 译码算法的优越 性。 南京邮 b 学院研究生论文第二章宽带无线接入网i e e e8 0 2i b a 标准体系 第二章宽带无线接入网i e e e8 0 2 1 6 a 标准体系 2 1 背景知识 i e e e8 0 2 1 6 a 标准( 又称为b w a ，i e e e s 0 2 1 6 3 ) 是一项无线城域网技术。i e e e 8 0 2 1 6 a 用于将8 0 2 1 l a 无线接入热点连接到互联网，也可连结公司与家庭等环 境至有线骨于线路。它可作为线缆和d s l 的无线扩展技术，从而实现无线宽带接 入。可以说，到目前为止，i e e e8 0 2 1 6 a 标准占据着无线宽带接入的主导地位。 i e e e8 0 2 1 6 于2 0 0 1 年1 2 月通过批准，运行于i o g h z 到6 6 g t t z 频谱之上。 这种运行在较高的频谱的技术可以为微蜂窝塔或塔链路提供更高容量的链路，其 覆盖范围在可视距离( 1 i n e o f s i g h t ) 之内。运行于2 g h z 到1 1 g h z 频谱之上的 i e e e8 0 2 1 6 a 规范是i e e e8 0 2 1 6 规范的扩展，该标准于2 0 0 4 年1 月2 9 日正 式得到批准。 i e e e8 0 2 1 6 标准规定的m a c 层为宽带无线接入提供了基础，但物理层不适 合较低频率的应用，分配的可用频率较窄，而且要求非视距传输。因此，i e e e 8 0 2 ，1 6 标准便有了修正草案i e e e8 0 2 1 6 a ，以解决较低频率的无线连接问题。 i e e e8 0 2 1 6 a 对5 6 g h z 的特许和非特许频段的通信也作了明确规定，在特许 频段内采用3 种物理层模式中的任何一种提供兼容性：单载波调制、正交频分复 用( o f d m ) 和正交频分多址( o f d m a ) 。在各种管理环境和部署环境确定的情况下， 经营特许频段业务的运营商就可以选用- i t 模式定制其解决方案。至于非特许频 谱采用哪一种模式尚无规范。 2 2 技术特点 距离：最高3 1 英里( 5 0 千米) 。 覆盖范围：更出色的非线性站点性能可显著提高运营商目标服务区域的覆 盖范围。 南京邮电学院研究生论文第二章宽带无线接八网i e e e8 0 21 6 a 标准体系 频率：2 g h z 到1 1 g h z 。 频谱效率：高达5 位秒h z 。 每区段最大数据速率：每扇区高达7 0 m b p s 。每个基站最多6 个扇区。 - 服务质量：m a c 内建的服务质量可支持不同的服务等级，从而可以同时支 持采用t 1 类型连接的企业用户和采用d s l 类型连接的家庭用户。此外，它还可 以支持话音和视频。 9 3 服务提供商优势 运营商级解决方案：它能够在同一基站内，为需要不同服务等级的数百或数 千名用户提供支持。单一基站区段的数据带宽能够同时支持6 0 多个采用t l 连接 的企业用户和数百个采用d s l 连接的家庭用户。典型的基站最多可有6 个区段。 - 较低的投资风险：与专有宽带解决方案相比，这一标准能够帮助服务提供 商进一步降低投资风险。基于标准的设备互操作性能够大幅降低客户购买基础设 备的成本，同时还使运营商可以混合搭配使用多个厂商的设备。借助该标准，运 营商将能够远程供应和管理客户服务，从而显著降低运营费用。 服务质量：i e e e8 0 2 1 6 a 标准的m a c 层经过精心设计，可支持语音和视频。 2 4 最终用户优势 更广泛的覆盖范围：出色的非线性站点性能能够进一步扩大运营商目标服 务区域的覆盖范围，这意味着将有更多的用户可以享受到高速无线互联网服务。 宽带数据速率：企业用户能够以极具竞争力的月费用获得t 1 服务，且无需 等待几个月的时间才能安装完成。目前无法获得d s l 或有线宽带服务的家庭用 户将能够以极具竞争力的价格享受到同样出色的无线服务。 - 较低的宽带互联网服务成本：通过向目前被线缆、有线和d s l 接入技术垄 断的最后一英里接入市场推出这一极具竞争力的“第三根通道”，每月宽带接入服 务费用将随着时阎的推移而逐渐降低 南京邮电学院研究生论文第二章宽带无线接入网i e e e8 0 2 1 6 a 标准体系 2 5 仍需解决的技术 宽带无线接入技术有许多关键技术仍需要进一步研究： 1 进一步提高系统的传输速率和吞吐率。 虽然目前的技术标准已经可以提供很高的数据传输速率，但与宽带有线网络 相比，仍然存在一定的差距，这也是目前研究的热点之一，可能会采纳的技术包 括u w b 、o f d m 等。 2 在保证通信质量的前提下，努力提高频谱利用率和系统容量。 对于无线通信而言，频谱是最宝贵的资源，也是运营商最关心的问题，为了 与有线宽带接入技术竞争，提高频谱利用率和系统容量非常关键，可能的技术包 括：自适应调制编码、空时码+ m 1 m o 、智能天线等。 3 进一步增强安全性能。 和目前的蓝牙和i e e e 8 0 2 1 l 技术一样，它们均存在安全漏洞，为了推动这 些技术的大规模应用，必须提高其安全性能。 4 采用更加智能的无线资源管理技术。 为了在共享信道上满足不同用户对q o s 的要求，必须增强现有的无线资源 管理技术，尤其是对目前m a c 机制的增强，这同样也是i e e e8 0 2 1 l e 和 i e e e 8 0 2l i r r m 的工作重点。为了通过蓝牙和w l a n 实现大规模的多跳a dh o c 网络，进一步拓展其应用空间，采用更加智能的无线资源管理技术必不可少 6 南京邮电学院 | j l _ 究生论文 第- 三章甲找波无线系统框架 第三章单载波无线系统框架 i e e e8 0 2 1 6 a 标准明确定义了三种无线数据传输方式：第一种是单载波，这 是为特殊需求的网络所保留的部分；第二种是2 5 6 个载波的o f d m ( 正交频分 复用) 技术；最后一种是使用2 0 4 8 个载波的特殊o f d m a 标准。本文采用的是 第一种传输方式。 3 。1 单载波物理层系统环境 图3 - 1 所示是单载波无线物理层系统环境框图： 图3 - 1 单载波无线物理层系统 由图3 一l 可知，从m a c 层传来的比特封装成帧送到物理层。然后数据帧通 过一个扰码器进行扰码。扰码后的数据比特流再通过f e c 编码模块进行编码。 编码后的信号进过交织后，映射到发送信道符号的星座图上。符号映射后将插入 其他一些辅助符号，如帧前导符号、导频符号和训练符号等。此时得到的符号流 将进行s t b c 编码，得到两个正交的符号流，并分别通过相同的基带成形滤波器、 正交调制器和载波调制器，由天线l 和2 发送出去。发射机发射的信号通过上行 物理信道。 通过无线s u i 信道传输后的信号和噪声进行叠加，叠加后的信号经过解调、 接收分集、频域均衡后到f e c 译码器端。最后经过数据解扰、去帧头送入m a c 南京邮电学院研究生论文 第三章单载波无线系统框架 层。这就是整个p h y 层的工作过程，这里只关心f e c 编码端到接牧机译码端的 过程。 3 2 前向纠错编码器( f e c ) 前向纠错编码( f e c ) 增加了冗余度，降低了传输数据对噪声和其他干扰的 敏感性。通过从m a c 层接收到的m a p 信息，物理层可以为移动台指定编码方 式。f e c 是本论文的重点，我们将在第四章里面进行详细介绍。 3 3 频域均衡 所谓均衡就是接收端的均衡器产生与信道特性相反的特性，用来抵消信道的 时变多径传播特性引起的干扰。即通过均衡器消除时间和信道的选择性。它用于 解决符号间干扰的问题，适用于信号不可分离多径的条件下，且时延扩展远大于 t x a n t0 t x a n t1 r ) 【b l o c k f o r c h a n n e le s u m a t e b = u f f t i n t e p g a l f o r f o eb b c k f = + u h 哪t i m e p t 蠹删i f e v u w n 胄g 日m 0 n g g _ m a 憎v n 朝t i m et i m e 怕v m u w p a y l n | d 2 u w r u - n - 1 u n - q 电时n 1 1 u u - n 1 1u u - n 一1 1 图3 - 2a i a m o u t i 发送分集方案的发送方帧结构 符号的宽度。均衡可分为时域均衡和频域均衡两种。频域均衡指的是总的传输函 数满足无失真传输的条件，即校正幅度特性和群时延特性。时域均衡是使总冲击 响应满足无码间干扰的条件，数字通信多采用时域均衡，而模拟通信则多采用频 南京邮也学院研究生论文第三章单载波无线系统框架 域均衡 下面我们详细介绍频域均衡的基本原理和具体实现方法3 1 1 4 1 1 5 】【6 1 。 基于宏小区的宽带无线接入系统中存在严重的多径时延。 图3 - 3 多径信道示倒 从上图中可以看出，在i e e e8 0 2 1 6 a 标准中的s u i6 信道上，码元速率为 5 m s y m s e c 的情况下，相距1 0 0 个码元间隔的符号之间都存在严重的码间干扰。 这样k 的多径信道，时域均衡已不再适用。因此我们采用频域均衡技术。 3 3 1 基本思想 如前所述，宽带无线接入系统的信道是一个频率选择性信道【s j 【9 1 ，可以通过 适当延时，将发送成形滤波器、延迟线等效信道、接收匹配滤波器和采样器统一 等效为一个因果的f i r 滤波器。因此，离散等效信道对输入序列的作用表现为线 性卷积。我们知道，均衡实质上是卷积求逆的过程，在频域表现为除法，处理是 方便的。不过，对一般的序列进行时域和频域之间的转换是不现实的。然而，如 果满足一定的条件，线性卷积可以转化为循环卷积，对于一定长度的序列，时域 和频域之间的转换存在快速算法f f t 。这就是频域均衡的基本思想。 3 3 2 具体实现 具体地说，在i e e e 8 0 2 1 6 a 标准中，基于t d m 的突发包和连续模式的帧一 般较长，为了同步，信道估计和跟踪在承载数据中周期性插入p i l o t 符号，设为 一个u w ，如下图所示： 南京邮电学院研究生论文第_ 三章单载波无线系统框架 图3 - 4 基于t d m 的突发包和连续传输模式的帧中的p i l o t 符号 基于t d m a 的突发包一般较短，如下图所示 图3 - 5 基于t d m a 的突发包中的p i l o t 符号 因此，发送序列的一个基本模块为： 】u w 【u w 一h 卜 图3 - 6 频域均衡的基本模块 设发送序列为x ( n ) ，接收序列为y ( n ) ，离散等效信道为 其中，u w 的长度应大于m 。 x ( n ) 砌) = 掣m 陆- ， 令x 。( n ) = 工( n + n 。) n = 0 , 1 n - 1 ，h 。如) = ：n ：，三。 l 肼 k ( n ) = x ，( n ) h 。( n ) ，则 i o 南京邮电学院研，生论文第三章单载波无线系统框架 ( n ) = y ( n + n o ) n = o ，l n 一1 ( 3 2 ) 频域均衡，实质是已知y ( n ) 和h 。0 ) 求取x ，( n ) 的问题。 实际的接收序列中还叠加了噪声，设接受序列为， r ( n ) = y ( n ) + n ( n ) ( 3 3 ) 其中n ( n ) 是各分量相互独立，均值为零，方差相同的高斯随机向量的一个样本。 令r 。( n ) = r ( n + n 。) n = 0 , 1 n - 1 ，r 。( 女) = 肝丁( r 。( n ) ) 及 h 。( k ) = 丁。( n ) ) ，定义z 。( k ) 为 z 以) = 器k = 0 , 1 - n - 1 ( 3 - 4 ) 若以z 。( n ) = ，矸v ( z 。( ) ) 作为均衡输出( 追零准则) ，由于宽带无线接入系 统信道的频谱中存在很多零点( n u l l ) ，会显著的增强噪声。 设叠。( h ) 为硬判决后对应的输出序列，m m s e 准则是指以均方误差 e 1 更。( n ) 一z 。1 2 ) 最小为准则设计均衡器，即 z w 眯) 2 i 滞，r w ( t ) t = 。，卜一- ( ，_ s ) 吉n - i l x ( n 1 2 洲：型签= ! 盯： ( 3 - 6 ) 以z n ( n ) = 胛r ( z 。( ) ) 作为均衡输出。可见，采用m m s e 准则明显改善了均衡 器在高斯白噪声条件下的性能。 南京邮电学院研究生论文第三章单载波无线系统框架 综上所述，频域均衡的具体实现框图为： 丝。： 旧，( 1 2 + i t s n r 3 3 3 性能分析 图3 - 7 频域均衡实现框图 上述的频域均衡器的复杂度为 复数乘法 f f t 1 2 n l o g ： i f f t 1 2 n l o g ； 频域均衡 表3 - 1 频域均衡的复杂度 可以看出，频域均衡器的复杂度不高，平均每符号大约做l + l o g ? 次复数乘 法。在均衡器的实现中，时域和频域之间的转换是主要的，对于n = 5 1 2 ，有 l o g ；= 9 。 3 4 m l m o 技术 3 4 1m i m o 技术概述 m i ( m u l t i p l ei n p u t 多输入) 指的就是将技术分集技术和定向天线结合使用。 2 蛆 西 南京邮电学院研究生论文第三章单载波无线系统框架 定向天线可以看作一个空间滤波器。落在天线主瓣的信号被送往接收机，而对落 在旁瓣的信号则施以2 5 3 0 d b 的衰减。采用定向天线可以大大减少衰落信道的多 径效应和传播时延；增加传输增益，减少对功放的要求；降低来自邻近小区的同 频干扰，提高系统容量。 m o ( m u l t i p l eo u t p u t 多输出) 是指在发送端人为产生多个分集通道。m o 技术和m i 技术通常结合在一起使用，称为m i m o 系统。 在宽带无线接入系统中使用的m i m o 相关技术主要有用户均衡延迟算法 1 0 】 和a l a m o u t i 简单发送分集的双发双收的m i m o 方法【l ”。 3 4 2 空时编码 发射机采用了a l a m o u t i 的经典的双天线发射机结构，这就要求对数据符号进 行s t b c 编码，编码原理如下图： 发送天线b l o c k1b l o c k2 o 忙k 】)但k ) 1 _ 罡+ 帕一n 一1 )协一州 ) 图3 - 8s t b c 编码原理 s t b c 的实质是一种空时域的正交编码 1 2 1 ，然后在接收端进行线性合并，根 据m l 准则恢复原来的数据，以获得最大的分集增益。需要注意的是s t b c 编码 每一次都是处理的两个数据块。 图3 - 8 详细描述了在单载波传输中，发射机的数据经过s t b c 编码后发送时 的帧结构，它在数据块间加入了导频。导频是由整数个u w 序列构成的，可以 用作循环前缀( c p ) 和进行信道估计。a l a m o u t i 提出的简单发送分集技术，它 在发送端对信号进行简单的s t b c 编码后通过双天线同时发送，在接收端用单天 线接收。这种分集方案可以获得和单发双收的接收分集相同的分集增益，并且它 可以很容易的通过增加接收天线来提高分集增益。 南京邮电学院研究生论文第三章单载波无线系统框架 3 4 3a l a m o u t i 双发双收方案 下面将讨论基于a l a m o u t i 的简单发送分集的双发双收的m i m o 方案。 岛 发送天线0 - 7 s 0 7 发送天线l 图3 9 算法功能结构图 总的来说，可以被大致分成三个功能块： 1 ) 送端对信息序列的s t b c 编码； 设符号周期为t ，在时刻t ，相邻的两个信息符号为s 。和s ，经过s t b c 编码 后在天线上发送，s t b c 编码实质是一种在空时域的正交编码，使两路信号正交。 2 ) 在接收端有： r o = h o s o + 啊s l + n o = - h 0 5 卜h i s ：+ n l r 2 = s o + 坞s i + 1 1 2 r 3 = 一心s i + h 3 s ：+ n 3 ( 3 7 ) 其中的、n 。、n ：和是复高斯随机变量。 3 ) 接收端在对信号进行合并 在这里信道估计理想化，则有合并后信号为 1 4 南京邮电学院研究生论文第三章单载波无线系统框架 晶= r 0 + h i 。+ 蛭r 2 + 如哼 i = h ；r o h 0 1 + + 巧，2 一疗 ( 3 8 ) 将上式简化有： 瓦= 仁舌+ 口? + 暖+ 西b 。+ ；n 。+ ，n i + ；n ：+ ，n ； 0 = + 口j + d ；+ 霹b ，一h o n ? + h a * n o h 2 n * 3 + h 3 * n ： ( 3 9 ) 4 ) 符号判决。 设发送信号为p s k 信号，且符号集为 c 。) ，由最大似然准则可得信号s 。得判 决公式为： k + 口? + 暖+ 霹一1 】c l l 2 + d 2 ( 0 ，c 。) k + a ? + 暖+ 口；一l 】q 1 2 + d 2 ( 0c k ) 由于p s k 信号川2 = k 1 2 ，所以上式简化为： d 2 ( o ，c 。) d2 ( z o ，q ) v i k( 3 1 0 ) 上式满足则判为c ，。同理可得s 。判决为c 时得判决公式为： d 2 ( i ，c 。) 兰d2 ( i ，c ) v i k( 3 1 1 ) 在上述分集过程中，需要注意的是，双接收天线的合并信号等于两个单接收 天线合并信号相加。也就是说，可以在m i m o 系统设计时在接收端只用一个信 号合并器，对每一个接收天线的接收信号合并后再相加就可以得到最后的多接收 天线合并信号。 南京邮电学院硕士学位论文第四章f e c 信道编码方案 第四章f e c 信道编码方案 在这章，我们详细介绍在i e e e8 0 2 1 6 a 标准采用的f e c 各种编码方案。包 括r s v ，t p c 等。信道编码一直是人们研究的热点 1 4 】，本章主要介绍这两种 编码方案的基本原理和译码算法。t p c 码的译码算法是本章的重点。在介绍基本 译码算法之外，本章又提出了一种新的t p c 译码算法。 4 1f e c 背景介绍 香农( s h a n n o n ) 在1 9 4 8 年发表的通信的数学理论和1 9 5 7 年发表的适 用于有扰信道的编码理论某些成果中提出了关于有扰信道中传输消息的重要理 论香农第二定理。该定理指出：设信道具有确定的容量cb i t s ，并己知传输 消息的速率为rb i f f s ，那么只要r l ， i 一 l 。接收码字为r = ( ，r 2 ，) ，在下面的讨论中我们假 设x ( ) 是一个接收子集z 的第j 个码字，对向量x 或x 0 ) 来说。x ，或x ，( i ) 指的 是该向是的第j 个元素。c h a s e 第2 算法在候选码字中选择一个码字d 。 4 3 2 4 1 测试图案简介 c h a s e 第二算法中所用的测试图案是由p 个( p 是个参数，可取1 ，2 ，) 信 道值较小的信息位组成，将硬判决后的码字和测试图案进行模2 加来判断它是否 成为一个新的码字，测试图案的巧妙排序是该快速c h a s e 算法的一个重要所在。 我们来看下图( 以4 个删除位为例) 。 r ( 0 ) = 0 0 0 0 r ( 1 ) = 0 0 0 1 r ( 2 ) = 0 0 1 0 r ( 3 ) = 0 0 1 1 r ( 4 ) = 0 1 0 0 r ( 5 ) = 0 1 0 1 r ( 6 ) = 0 11 0 r ( 7 ) = 0 1 1 l r ( 8 ) = 1 0 0 0 r ( 9 ) = 1 0 0 1 r ( 1 0 ) = 1 0 1 0 r ( 1 1 ) = 1 0 1 1 r ( 1 2 ) = 1 1 0 0 r ( o ) = 0 0 0 0 r ( 1 ) = 0 0 0 i r ( 2 ) = 0 0 11 r ( 3 ) = 0 0 1 0 r ( 4 ) = 0 1 1 0 r ( 5 ) - - - 0 1 11 r ( 6 ) = 0 1 0 l r ( 7 ) = 0 1 0 0 r ( 8 ) - - - 1 1 0 0 r ( 9 ) = 1 1 0 1 r ( 1 0 ) = 1 1 1 1 r ( 1 1 1 1 1 1 1 0 r ( 1 2 ) = 1 0 1 0 南京邮电学院硕上学位论文第四章f e c 信道编码方案 r ( 1 3 ) = 11 0 1 r ( 1 4 ) = 1 1 1 0 r ( 1 5 ) = 1 1 1 l ( a ) r ( 1 3 ) = 1 0 1 i r ( 1 4 ) = 1 0 0 l r ( 1 5 ) = 1 0 0 0 ( b ) t ( i ) ：1 0 0 0t ( 9 ) = 0 1 0 0t ( 1 3 ) = 0 0 1 0t 【1 神= 0 0 0 1 、广 j 【( 2 ) ：0 0t ( 6 ) = 1 0 t 0t ( 8 ) = 1 0 0 it ( 1 0 ) ：0 1 1 0t ( 1 2 ) = 0 1 0 l“1 4 ) = 0 1 0 0 刀i t ( 3 ) = t 【1 0t ( 5 ) = l i n lc ( 7 ) = 1 0 【 c ( ) = 9 1 1 l 1 【c ) 图4 - 8测试序列( a ) 传统顺序( b ) 二进制树( c ) 格雷码顺序 从上图，般的c h a s e 算法采用( a ) 类顺序，( b ) 是对测试序列进行重新排序 的二进制搜索树，( c ) 中的格雷编码顺序和( b ) 中的相似在于两种顺序中，每个测 试图案都和前后两种相差一个比特，这种特点使 ：导在对信能无影响的前提下降低 译码的复杂度。 4 3 2 4 2 算法基本过程 在s i h o 的情况下： a 预处理 1 找到m l 序列记为c ( 1 ) f ，( 1 ) = ( 1 一s g n ( r ) ) 2 v j 【1 ，n 】 2 决定p 个删除的位置这些位置上的信道信号的绝对值最小。 l 2 p 个最小 ir j l ) 的组成的集合。 3 对测试图案、伴随式和m e t r i c 初始化分别为t ( 1 ) ，s ( 1 ) ，t r t ( 1 ) ； 3 5 南京邮电学院硕一i ：学位论文 第四章f e c 信道编码方案 t ( 1 ) = 0 0 0 l ( 长度为p 的矢量) s ( 1 ) = c ( 1 ) h 7 m ( 1 ) = o o ； 4 分别摧导测试图案、伴随阵以及标量m e t r i c ( t ”。( 强s “( f ) 和m “( 们的修 正值； t m o a ( f ) = ( f ( f ) r ( i + i ) 中非0 比特的下标； s “( f ) = ( z ( f ) ) 7f 【1 ，p 】 卅“( f ) = 1r t 。iv i 【1 ，p 】 b 主处理 对第i 个测试序列、伴随式和累值t ( i ) ，s ( i ) f nm ( i ) 进行修正。让 j = f ( i ) ；即找到第i 个测试序列和第i + l 测试个序列不同的码元序号 t ( i + 1 ) = 对t ( i ) 序列中的第j 个元素进行修正后得到的码字： s ( i + 1 ) = s ( f ) o j “( m 对伴随式进行修正； 若r ，( f + 1 ) = 1m 1 ( f + 1 ) = m ( f ) 一m “4 ( j ) 若t j ( f + 1 ) = o ，m ( i + 1 ) = m ( f ) 十m “( j ) 将伴随式转换为错误位置p ( i ) 若s ( i ) 7 = o 。则p ( i ) 一1 ，m ( i ) = m ( i ) ，f ( i ) = l 否则 若s ( i ) = = h ( j ) 贝0p ( i ) = 一1 ，m ( 0 = ，n 。( f ) ir ji ，f ( i ) = l ： 若p ( i ) - l ，m ( i ) 一o o ，f ( i ) = o ； 找错误位置，若纠错发生时修正m ( i ) 为r e ( i ) ，同时标识为有效码字。 注意： a ) 对i 等于2 9 该步骤不是必要的。 南京邮电学院砸：卜学位论文 第四章f e c 信道编码方案 b ) 若修正的测试序列会导致t p 码汉明距离的下降，则累值m ( i ) 大小会 下降。反之亦然； c 译后处理 从有效码字集中选择m l 码字 若m ( i ) = m a x f r e ( j ) ) j 【i ，2 1 则d = c ( 1 ) 序列和t ( i ) 相加后，再对第p ( i ) 个码元进行翻转； 至于推导最大似然概率和非本征信息，该过程可以通过由已译的t s ( 在删 除位置上进行纠错的码元) 来获得。已译码字的n 个符号可以分为3 个独立的 集合：一个是删除位置集合( l r b ) ，一个是( e c b ) 错误纠正集合，还有一个 是非( l r b e c b ) 码元集合。每个集合中的码元可以独立考虑。 d 计算软信息 1 ) 对码字累值进行排序 w ( 1 ) = m l 序列的下标； w ( 2 ) = 下一个m l 序列的下标： w ( 3 ) = 最小似然码字的下标； 2 ) 决定第j 个信号的a p p 值l 。( h j ) a ) 对删除位置：l ( ) 地埘) ) = 州m 肛a x 。 m ( i ) 卜躺) ) w 【l ，p ，且v 1 , 2 p 】 b ) 对纠错位置：p o ) 若州) = p ( w ( 1 ) ) ，则 l ( “p ( ) ) = m ( w ( 2 ) ) 一m ( w ( 1 ) ) ； 否则f n ) 2 m ( w o ) 一t o o ) c ) 对于所有其它位置j ： l t ) = m ( w ( 1 ) ) 一m ( w ( 3 ) ) ； 南京邮电学院硕士学位论文 第四章f e c 信道编码方案 3 ) 决定第j 个信号的a p p 的正确符号l ( “i ) 若c j ( 1 ) = o 那么l ( u ，) = 缸，) ， 否则l ( u ，) 3 一l ( “) 。 4 ) 提取并修正第j 个信号的非本征信息。r ( “，) r ( “j ) 3 a 8 ( l ( uj ) 。r ( “ 对通过a w g n 信道的信号l r ( u j ) = t r jt 值等于4 e 。，。t ，。代表 的是每个信号传输的能量和噪声功率藉密度之比。 在对接收后的信号进行硬判决d 之后，为了计算软信息r 对于l r b 位置。 若在第二步( a ) 找不到竞争的码字，刚我们用多x d ，来替代l ( u ，) 。 根据经验f l ( m ) = 【0 2 ，0 4 ，0 , 6 ，o 8 ，1 0 ，1 0 ，1 0 ，1 0 ；m 为迭代次数。 当考虑每个e c b 位置p ( i ) ，见d ( 译后处理) 中第2 步的( b ) ，显然每个其余的 码字在该位置上都为相反比特。除非另有竞争码字的嘶) 和该p ( i ) 相同。若该位 置是最大似然序列的e c b ，例如：p ( w ( 1 ) ) 。因为e c b 的不一样，则完全可以找 到下一个最大似然序列，比如码字w ( 2 ) 。对于p ( w ( 1 ) ) 以外的位置，具有替代比 特值的最大似然序列就是m l 码字序列。最后对于其它信号位置，所有码字序列 和m l 序列比特的值相同，所以我们使用默认的累值矩阵。