（通信与信息系统专业论文）turbo码与harq相结合的算法研究与应用.pdf

重庆邮电学院硕f ：论文 摘要 h a r q 技术红提高无线数据传输的j i 丁靠性、数据吞吐颦方面所起到的作用已经越来越 受剑重视。特别是在t u r b o 码出现后，如何很好地把t u r b o 码这种有着优良特性的f e c 码 应用在h a r q 技术当中，并使t u r b o 码与t o , r q 相结合的技术在实际系统当中得到应用， 尽可能地提高系统数据吞吐量，其具体的算法以及实现方案是目前研究的一个重要方面。 本论文对t u r b o 码与h a r q 技术相结合的r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e dt u r b oc o d e s ( r c p t ) 算法进行了研究，并针对r c p t 算法特点提出了将其应用在t d s c d m a 系统当 中的具体实现方案。在此基础之上进一步对提出的算法实现方案进行相应地仿真，得到了 在不同信道条件下( a w g n 、p a 3 、v a 3 0 ) 、不同数据块长度( 2 6 4 0 b i t s 、1 2 8 0 1 3 i t s ) 、不同 打孔周期p ( p = - 8 、p = - 4 ) 时的系统性能仿真结果( 包括数据吞吐量、重传次数) 。通过仿真 结果，得出如卜3 点结论： 1 t u r b o f 马- f h a r q 的r c p t 算法在性能上要优丁卷积码+ h a r q 的r a t ec o m p a t i b l e p u n c t u r e dc o n v o l u t i o n a lc o d e s ( r c p c ) 算法。 2 系统所采刚的数据块长度对r c p t 算法性能有重要影响，r c p t 算法在数据块长度 较人时性能较优越。 3 r c p t 算法当中打孔周期p 取值较大时的系统性能要优于p 取值较小时的系统性 能。 关键词：t u r b o 码、h a r q 、r c p t 、t d s c d m a 、可靠性、数据吞吐量 重庆邮i l 三学院顾l ：论文 a b s t r a c t h a r qh a sg e tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf o ri t sa b i l i t yo fi m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t ya n dt h e t h r o u g h p u to fw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n e s p e c i a l l y , w h e nt u r b oc o d e sw a si n t r o d u c e db y b e r r o ue la t , i n19 9 3 ，h o wt oa p p l yt h i sn e wp o w e r f u lf e cm e t h o di n t oh a r qa n dp r a c t i c et h e t e c h n o l o g yc o m b i n i n gt u r b oc o d e sw i t hh a r qi nc o m m e r c i a ls y s t e m st oe n h a n c et h ed a t a t h r o u g h p u ta sh i g ha sp o s s i b l eh a sb e c o m ear e s e a r c hf o c u s i nt h i st h e s i s ，t h ea l g o r i t h mo fr a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e dt u r b oc o d e s ( r c p t ) w h i c h c o m b i n e st u r b oc o d e sw i t hh a r qi si n v e s t i g a t e d ，f u r t h e r m o r e ，a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i co f r c p r ra l g o r i t h mt h es c h e m ea p p l y i n gt h er c p ti n t ot d - s c d m as y s t e m si sp r o p o s e d i no r d e r t ov e r i f yt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e ds c h e m e ，c o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o ni si m p l e m e n t e d d u r i n g t h es i m u l a t i o n d i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t sa n dd i f f e r e n ts i m u l a t i o n p a r a m e t e r s ( t h ed a t ab l o c kl e n g t ha n dp u n c t u r e dp e r i o d ) a r ec o n s i d e r e d a c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t ，t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a nb ed r a w n ： 1 t h er c p t - b a s e ds y s t e mp e r f o r m sb e t t e rt h a nt h er c p c - b a s o ds y s t e m 2 t h ep e r f o r m a n c eo fr c p t - b a s e ds y s t e mi ss e n s i t i v et ot h ep a r a m e t e ro fd a t ab l o c k l e n g t h ，t h el a r g e rd a t ab l o c kl e n g t hl e n dt ob e t t e rp e 蛹o r m a n c e s 3 t h el a r g e rv a l u eo fp u n c t u r e dp e r i o di ss e t , t h es u p e r i o rp e r f o r m a n c eo fr c p t - b a s e d s y s t e mi sa c h i e v e d k e y w o r d ：t u r b oc o d e s ，h a r q ，r c p t , t d s c d m a ，r e l i a b i l i t y , d a t at h r o u g h p u t 第页 一一 垦壅坚! 坚兰堕堡! ：丝塞 一 _ - - - _ - _ _ _ - _ - - _ - _ - - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 。- _ - 。_ 。- 。一一一 缩写术语 a c k ，n a c k a r q b e r b l e r c r c f e c h s d p a h a r q i r r c p cc o d e s r c p tc o d e s t d s c d m a ap o s i t i v ea c k n o w l e d g m e n t an e g a t i v ea c k n o w l e d g m e n t a u t o m a t i c - r e p e a t - r e q u e s t b i te r r o rr a t e b l o c ke r r o rr a t e c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s h y b r i da u t o m a t i c r e p e a t r e q u e s t i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e dc o n v o l u t i o n a ic o d e s r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e dt u r b oc o d e s t i m ed i v d e d s y c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t ia c c e s s t r a n s p o r tt i m ei n t e r v a l 第1 v 页 重庆邮电学院硕 ：论文 1 引言 h s d p a 是新近列入3 g p p 技术规范 1 】、【2 】、【3 】当中的高速下行分组接入技术，针对 不同用户高速数据业务的要求，可实现高达i 0 8 m b p s 的高速数据传输。 h a r q 是a r q 和前向纠错( f e c ) 相结合的纠错方法，通过发送附加冗余信息，改变编 码速率来自适应信道条f ，i ：，t u r b o 码与h a r q 相结合的数据传输方案是h s d p a 的一项关 键技术。 有二类不同的h a r q 方案，它们分别是： 第一类h a r q ：3 g p p9 9 版采用该方案，信息数据添加循环冗余( c r c ) 码后进行f e c ， 接收端译码后进行一致性校验，发现错误，则扔掉出错的码字，并请求发送端重发相同的 f e c 码字。 第二类h a r q ：属于递增冗余( i r ) 的a r q 方案。重传信息为递增冗余信息，接收端只 有将该重传信息于接收端缓存的码字合并后才能译码。 第二类h a r q ：也属于i r 的a r q 方案。所不同的是重传码字具有自解码能力，因此 接收端可以直接从重传码字中解码恢复数据，也可以将出错重传码字与已有的缓存码字进 行合并后解码。根据重传版本的不同，第二类h a r q 又进一步分为两种，一种是具有一个 冗余版本的第二类h a r q ( c h a s ec o m b i n i n g 4 ) ，也称为具有软合并的i _ t a g q ，各次重传版 本均与第一次传输相同。另一种是具有多个冗余版本的第三类h a r q ，各次重传版本中所 采用的前向纠错码均不相同。 t u r b o 码与h a r q 相结合算法第一次提出是在1 9 9 7 年【5 】当中，作者采用的是t u r b o 码+ 第一类h a r q ，并对t u r b o 编解码器的结构作了一定的修改，使得在出错重传时接 收端的t u r b o 解码器可以利用前一个传输数据块t u r b o 解码时产生的对数似然比作为此次 t u r b o 解码的先验信息，仿真结果显示这种方法的运用在中低信噪比的条件下，大大降 低了系统误帧率。 另外一种t u r b o 码与h a r q 相结合的r c p t 算法是在【6 1 、【7 1 当中提出的采用的是 t u r b o + 第二类h a r q 的方案。具体过程是在数据经过t u r b o 编码之后，对编码比特进行特 定的打孔操作以提高编码速率，同时把那些打掉的编码比特保留在发送端。当前一次发送 的数据分组出错，需要重发时，再次发送的数据为那些被打掉的保留在发送端的编码比特， 接收端把接收到的重发编码比特与先前的数据进行合并然后再解码。文章当中把这种t u r b o 码+ 第二类h a r q 的r c p t 算法方案与卷积码+ 第二类h a r q 的r c p c 算法方案进行了 第l 页 重庆邮电学院硕： 论文 比较，仿真结果显示前者的性能要优r 后者。 如何把t u r b o 码与h a r q 相结合的r c p t 算法虑心在实际系统当中，同时得刽比较理 想的系统性能，其具体的实现方案是目前研究的一个重要方面，本论文主要研究讨论 t d s c d m a 系统中的实现方案。在第一二、二章分别对t u r b o 码编译码原理以及h a r q 技 术的相关理论进行阐述；第四章在第二、三章的基础上对t u r b o 码+ 第二类h a r q 的r c p t 算法进行详细地算法原理描述并说明算法的特点；第五章提出r c p t 算法在t d - s c d m a 系统当中的具体仿真实现方案，对仿真条件和采用的信道模型进行说明，给出仿真结果并 根据仿真结果得出相应的结论。 第2 页 系庆邮l u 学院硕i ：论文 2 t u r b o 码 筹错控制编译码的历史始于1 9 4 8 年c l a u d es 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 lt h e o r yo fc o m m u n i c a t i o n ”。s h a n n o n 指出，对应任何一个通信信道总存在一 个信道容繁c ，只要通信系统传输的信息速率r 小丁：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概率任意小，但在 其起作用的人维数时，由丁码字数鼙巨人，使得译码不可能实现。很久以来人们一直在寻 找码率接近s h a n n o n 理论值、误筹概率小的优秀编码，并提出了许多构造优秀编码的方法。 1 9 9 3 年b e r r o 等人提出的t u r b o 码，其性能与信道容鼙极限的差距小于l d b 。因而成为近 年来编码理论上的一个研究热点。第- 二代移动通信系统中，卷积编码和交织的应用对于保 证话音质量和低速数据业务的质颦有很好的效果。第二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筹错控制编译码提出了更高的要求。由于t u r b o 码的优良特性， 它已经被列为第二代移动通信系的信道编码方案之一。下面介绍t u r b o 码的基本构造原理、 性能及其在第三代移动通信系统当中的廊用。 2 1t u r b o 码编码 t u r b o 码由2 个递门系统卷积码( r s c 码) 并行级联而成。典型的t u r b o 编码器结构 如图2 - 1 所示，主要由两个并行的系统反馈卷积编码器( r s c ) 和一个置于第2 个r s c 之 前的交织器构成。级联的r s c 也不一定是2 个，更多的r s c 和交织器构造起来的t u r b o 码，其编码性能一般会更好( 但系统的复杂性和时延将相应提高) 。 “s 打手 复 a 分嚣码编码器 ：q 孔薯 爵每 口 r s c l i、 器 i 交织器p ， 分节码编码器x p 2 ：。 。 r s c 2- 图2 it u r b o 码编码器结构图 信息序列u 2 蚝，”2 ， 经过一个n 位交织器，形成一个新序列u i 一- - - 材；，材：， ： ( 长度与内容没变但比特位置经过重新排列) 。u 和u 1 分别送到两个分量码编码器( r s c ! 第3 页 重庆邮i i 三学院顾l ：论文 和r s c 2 ) 。般情况卜- ，这两个分鼙码编码器结构相同，生成序列x p l 与x p 2 。为了提高码 率，序列x p i 与x p 2 需要经过打孔器。采朋打孔( p u n c t u r i n g ) 技术从这两个校验序列中周 期地删除一些校验位，形成校验能序列x p 。x p 与未编码序列x s 经过复用调制后，生成了 t u r b o 码序列x 。例如，假定图2 - 1 当中两个分域编码器的码率均为1 2 。为了得到! 2 码率 的t u r b o 码，可以采川这样的打孔矩阵：p = 【l0 ，0l 】即删玄来自r s c i 的校验序列x p i 的 偶数位置比特与来白r s c 2 的校验序列x p 2 的奇数位置比特。 2 2t u r b o 码译码 2 2 1t u r b o 码迭代译码原理 由t - t u r b o 码是由两个或多个分鼙码经过不同交织后对同一信息序列进行编码，对任 何单个传统编码，通常在译码器的最后得剑硬判决译码比特，然而t u r b o 码译码算法不应 该局限丁译码器中通过的是硬判决信息。为了更好的利用译码器之间的信息，译码算法所 h j 的应当是软判决信息而不是硬判决。一个由两个分鼍码构成t u r b o 码的译码器是由两个 与分罐码对应的译码单元和交织器与解交织器组成的，将一个译码单元的软输出信息作为 卜一个译码单位的输入；为了获得更好的泽码性能将此过程迭代数次。这就是t u r b o 码 译码器的基本l ：作原理。 2 2 2t u r b o 码译码器的构成 t u r b o 码译码器的基本结构如图2 - 2 示。它由两个软输入软输出( s i s o ) 译码器d e c ! 和d e c 2 进行串行级联组成，交织器与编码器中所使用的交织器相同。译码器d e cl 对分 量码r s cl 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”经过交织送给d e c2 ，译码器d e c2 将此信息作为先验信息，对分量码r s c2 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 c1 ，进行卜一次译码。这样，经过多次迭代，d e cl 或d e c2 的外信 息趋丁稳定，似然比渐近值逼近丁对整个码的最人似然译码，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甜。 第4 页 蕈庆邮l u 学院顾i j 论文 图2 - 2t u r b o 码弹码器结构图 假定t u r b o 码编弼器的接收序列为y = ( 虮，j ，) ，冗余信息y p 经解复刚后，分别送给 d e cl 和d e c2 。丁- 是，两个软输山译码器的输入序列分别为： d e c l ：y l = s ，y ，i ) d e c 2 ：y 2 = s ，y ，2 ) ， 为了使译码后的比特错误概率最小。根据最人后验概率译码准则，t u r b o 译码器的最佳 译码策略是，根据接收序列少计算后验概率( a p p ) e ( u i ) = 尸( l y i ，儿) 。显然，这对于 稍微长一点的码计算复杂度太高。在t u r b o 码的译码方案中，巧妙地采用了一种次优译码规 则，将y l 和y 2 分开考虑，由两个分量码译码器分别计算后验概率p ( u 七l y i ，笃) 和 p ( u t 陟2 ，骂) ，然后通过d e c1 和d e c2 之间的多次迭代，使它们收敛于m a p 译码的 p ( u i y l ，y 2 ) ，从而达到近s h a n n o n 限的性能。这里鬈和骂为附加信息其中，露由d e c 2 提供，在d e cl 中作先验信息；e 由d e cl 提供。在d e c2 中用作先验信息关于 p ( u i 帆，置) 和p ( u 。l y 2 ，e ) 的求解，目前已有多种方法，它们构成了t u r b o 码的不同译码 算法。 2 2 3t u r b o 码基本译码算法 t u r b o 码可在译码复杂性和码率之间达到较好的平衡。由于2 个译码器交换a p p 信息可 以得到很高的编码增益，而用不同码率的成员码通过不同的互通方案可以得到不同码率的 t u r b o 码，所以用2 个码率各为1 ：2 的卷积码级联后可得到码率为l 3 的t u r b o 码。有时相 对简单的成员码级联可组成接近s h a n n o n 理论信息容量的t u r b o 码( 至少用很大的交织器时 可以达到) 。通过数值模拟表明在信噪比e o 为0 7 d b 时，比特误差概率可达到l o 第5 页 重庆邮i 乜学院硕 ：论文 l0 。由丁交织器的作用，t u r b o 码纠突发错和成串错能力较强。 t u r b o 码在低信噪比的应川环境中的性能比以往其他的信道编码要好，这是它的一人优 点。t u r b o 码的i 要特点是： 随着两个译码器交换信息的同合数的增加，误码率逐渐减少，到某一程度下降变缓。 随着信噪比的增加，误码率逐渐减少，到某一程度下降变缓。 尽管s h a n n o n 信道编码定理指出错泽率可随码k 的无限增长而无限下降，但要注意这 里h j 的是无限k = 的码字。t u r b o 码在同定码k 的情况下可以在部分错译率范围内非常接 近s h a n n o n 无限长码的性能。下面将介智 t u r b o 码的基本译码算法。 2 2 3 1m a p 算法 t u r b o 码译码器的基本特征是迭代译码，迭代译码需要子译码器不仅能够进行软译码， 而且能够给出软信息。由丁传统的v i t e r b i 算法不能给出判决软信息，因此c b e r r o 等人在 提出t u r b o 码的时候提出了一种能够给出软信息的m a p 译码算法，并采用l l r ( l o g a r i t h mo f l i k e l i h o o dr a t i o ) 作为这种译码软判决输出的度鼍 眦：人“) = l 。g 硐p ( u , = l i t ) 式中，u k 为编码前信息比特；y 为接收序列。设分组长度为k ，则 如果编码速率为i n ，则 y = 。，y ：，儿) y ，= 肿弘2 ，y 胁) ，f = 1 , 2 ，k 相应地，编码器输出序列2 b p s k 信号映射的序列为 x = ( x l ，x 2 ，x k ) = 传，t 2 ，b ) f = 1 , 2 ，k 译码的目的就是得剑上述的l l r ，最终判决的规则如下： 1 )如果八( 蜥) 0 ，则判决= 1 。 2 ) 如果- a ( u i ) d e c 2 一 d e cl 一 d e c2 一 2 2 3 2 l o g - m a p 算法 对于m a p 算法，如果在对数域当中进行运算，则称为l o g - m a p 算法。l o g - m a p 主要 i o i 置 是利用等式兀x 。= p 7进行运算。利用该等式，对l l r 的计算可以变为 第9 页 j 型燮：垡奎 一一一一 人( ) = l o g e x p 1 0 9 一l ( 一i ) + l o g 儿( 卧- i ，s k ) + l o g f l k ( ) 卜 ( ，1 雌i 对于吼( ) 和展一i ( 一1 ) 的递推式，同样可以得到 其中 l o g ( ) = l o g e x p 【l o 跳( & _ l ，s k ) + l o g a k l 瓴- 1 ) 】 l o g , 8 , 一i ( s k 1 ) = l o g ) - e x p 1 0 9 y t ( 一l ，s k ) + l o g f l k ( s k ) 1 0 9 以( s k - i , s t ) 2 r ( ) + 兰喜瓴以， ( 2 - 2 5 ) 2 2 3 3 m a x - l o g m a p 算法 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 如果简单地利川l o g p - m a x ( x ，) ，则可以得剑建为简单的算法一m a ) ( i 。g m a p 算 法该算法对l l r 进行的运算都简化为求最大值运算。m a x - l o g - m a p 触jl l r 的计算可 简化为 人( ) = ( m ，a x ) 1 0 9 a k l ( 一i ) + l o g y t ( 吼一l ，) + i o g 屏( ) 】一 i is l m a 川x 【l o g a k i ( s k i ) + l o g ) q ( s t - l ) + l o g 展( & ) 】( 2 - 2 6 ) 同样对递推式，有 l o g 吼( ) _ m a x 1 0 9 r , ( s t - i ，s k ) + l o g 一i ( & 一1 ) 】( 2 - 2 7 ) l 。g 屏一i ( & 一i ) = m 凡a x 1 。g 以( & 一l ，以) + l o g 屏( & ) 】( 2 - 2 8 ) 在m a x - l o g m a p 算法中没有乘法运算，因此算法的复杂性很低。相对于p 算法来 说。其性能损失也不大。 2 3 t u r b o 码的性能 对t u 炯码的性能分析基本上都是把它看成等效的分组码形式进行的，而且在几乎所有 的性能分析文献当中，都是用与最人似然译码( m l ) 相同的分析方法，这种分析方法对理 解其渐进性能是很有用的。 t u r b 。码是以一个信息分组为单元进行译码的。假设输入信息分组长为k ，输出信息分 第1 0 页 屏g 0 + 厂 g 0+ &瓯g o p x d g 0 蕈庆i l w g l i i 学院硕i ：论文 组长度为n ，编码速率为r ，可以把t u r b o 码等价为一个( n 。k ) 的分组码，它在a w g n 卜b e r 性能的上界为 只2 台 - i 张w , ( 1 l f i 碍) ( 2 2 9 ) 式中。w 和d ，分别表示第f 个码字的信息重爷和汉明重量。式( 2 2 9 ) 肌1 - 算在k 大的时候复 杂性会很高，可做一些变换来简化分析。攻具有汉明重量d 的码字数目为n a ，如果把这虬 个具有相同汉明重鼙的码字作为一个集合，定义它的平均信息重晕为砺，那么式( 2 2 9 ) 可以 表示为 匾d , 2 r e 6 ( 2 3 0 ) 在高信噪比的情况卜，影响性能的关键是具有最小自由距离的码字，即式( 2 3 0 ) 右边和 式( 2 - 3 0 ) 的第一项( 即n = d 肚) ，因此得到高信噪比下b e r 性能最小距离渐进式 只半q ( ( 2 - 3 1 ) 可见决定性能的主要编译码参数分组长度k 、最小自由距离d ，胧、具有最小自由距离 的码字数目，肼及其码字对应的信息平均重量这4 个参数。 传统的编码设计是尽鼙使最小距离d 加最人化。对于t u r b o 码，在高信噪比下则是 使式( 2 3 1 ) 最小距离渐进式中的q ( ) 函数的系数旦号等最小化和使最小距离最大化 从式( 2 3 1 ) 可以看出，在低信噪比下，影响性能的不仅仅是具有最小自由距离的码字， 而是所有码字的平均信息重量。在这样的情况i - ，理路分析就变得比较困难了。目前国外有 专家正在从距离谱的角度分析t u r b o 码的性能，指出在高信噪比时，决定性能的参数是编码 的自由距离，并指出在r s c 的反馈多项式中采用本原多项式可以增加自由距离，减小性能 曲线的托尾线，也可以通过增加交织器大小来达到同样的目的。在低信噪比时，t u r b o 码之 所以能够获得优异的性能是因为其具有稀疏的距离谱，即其重量小的码字数目少，大量的码 字具有平均的重量，从而使得码字的平均距离增大。伪随机交织器和系统反馈码可起到谱窄 化的作用，通过增加交织器的长度也可以起到谱窄化的作用。影响系统性能的关键参数是交 第l l 页 d 计算量犬，译码结构复杂。 由丁交织和迭代译造成的时延会限制t u r b o 码在某些对时延要求高的通信系统( 如 数字电话、数字音像广播、数据包通信和太空通信等) 中的应用。 对相位敏感性高。 有所谓的“地板”效麻，即误码率下降到一定程度后再下降就很慢了 理论分析困难。t u r b o 码的优异性能并不是从理论研究的角度给出的，而仅是计算机 仿真的结果，理论基础还不完善，其作用机制尚不是十分清楚，对迭代译码算法的性能还 缺乏有效的理论解释。 2 4t u r b o 码的应用 最初t u r b o 码作为候选方案用于高数据率( 3 2 k b i t s 以上) 、高质量的业务。但是随着 t u r b o 码研究的深入，算法的优化和简化，其优点日益突出。越来越多的组织提案都采用 t u r b o 码作为编码方案。例如，戍用于太空通信的有功率限制的低通t u r b o 码；应用于允许 很多长分组编码的系统如离清晰电视系统中：应用丁移动卫星通信、c d m a 移动通信等系 统中。 第二代移动通信系统的提出和移动通信发展的最终目标是实现任何人可以在任何地点， 任何时间与其他任何人进行任何方式的通信。信道编码技术可显著地改善数字信息在传输的 过程中由于各种噪声喝干扰而造成的误差，提高系统的可靠性。它是第三代移动通信系统中 第1 2 页 蕈庆邮电学院硕士论文 的无线传输技术的重要组成部分。第三代移动通信系统所需提供的业务种类对筹错控制编译 码提出了更高的要求。作为提供综合业务的移动通信系统的组成部分，信道编码技术中融入 了业务复片j 和速率适配器等功能模块，纠错码的选择也要配合这些模块来考虑。由于t u r b o 码的优良性能，它已经被第二代移动通信系统的提交者列为信道编码方案之一 t u r b o 码的设计包括分量r s c 生成元的确定、码速调制器的设计( 打孔) 以及内部交织 器的设计。 1 r s c 编码器生成元的设计 译码的计算量与卷积码的约束长度有关，如果要减少计算量，约束长度就不能太大， 闪此提案中建议的约束长度一般为3 、4 或5 。如果不考虑交织器对生成元的影响，从 仿真结果来看译码时，在一定的范闱内，较人的约束长度具有较大的编码增益。而且， 约束长度越人，信息关联稃度越人，这对译码性能的提高有好处。 2 迭代次数 由丁t u r b o 码编码器的2 个分量编码器之间存在1 个内部交织器，而且每个分量编 码器又是递 的卷积码编码器，所以很难在每个数据块尾将寄存器的状态归“0 ”。虽然 在仿真中发现带有尾比特的与没有尾比特的译码算法的性能差距不大，但是没有迭代次 数限制会给硬件实现带来麻烦。目前还没有只用m 位同时结束2 个r s c 编码器的简单 算法。解决的方法通常是在完成所有输入信息编码工作后，让第2 个r s c 编码器不工 作，只将第1 个r s c 编码器i 门0 ( 此时无外信息位输入，编码器的信息位、冗余位输 出由r s c 编码器自己产生，这样栅格图上的状态就是连续变化的) 。同理，也可以让第 1 个r s c 编码器不：l ：作只将第2 个r s c 编码器归0 。这样在输入信息的数据之后加 入2 m 个尾比特，就可以实现t u r b o 码的栅格终l 卜。 3 交织深度的选择 。一 一 t u r b o 码有较大的时延，在对时延要求较高的话音业务中的应用受到了限制，但对 其他无编译码时延要求或对时延要求较低的业务，t u r b o 码的作用就可以得到充分的发 挥。所以，在第二代移动通信系统中，3 2 k b i t s 以上的业务由t u r b o 码完成。t u r b o 码的 译码性能除了受交织器随机化作用影响之外，它在很大程度上取决于交织深度，交织深 度越大，译码的误码率越小。在第三代移动通信系统中，业务速率由3 2 k b i t s 到2 m b i t s ， 其帧长为1 0 m s 。如果帧长等于交织深度，t u r b o 码的译码性能将有很大的差别为提 高译码器性能。在些低速业务的场合，可以用多帧组成一个数据块，以加大交织深度。 4 交织算法 第1 3 页 蕈庆邮电学院硕t ：论文 t u r b o 码的交纵算法慰影响起忭能的个重要l 灭l 素。目前交织算法还处丁研究中 其设计方法尚无理论上完整的袭述，剑底采刚什么方法作为标准也尚无定论( 一般采用 1 卜均匀交织器) 。目前，所采用的交织算法还不能说对所有的r s c 都是最佳的，往往事 对某些r s c 编码生成元比较好，还需要通过仿真结果加以判断和调整。很多国家和组 织已经提交的交织算法都比较繁琐。 总之，影响t u r b o 码性能的参数土要有内交织器的大小和交织模式、编码速率译码 算法和迭代次数。内交织器规模越大，性能越好，但是译码的时延也越大，复杂性越高： 交织模式在低信噪比时并不重要，但在高信噪比时则是重要的，据目前研究表明，w c d m a 系统所提供的多重交织器能够获得接近随机交织器的性能，而简单的块交织在高信噪比时 性能相对较筹；在t u r b o 译码算法的仿真比较当中m a x - l o g - m a p 和s o v a 的性能都比m a p 算法羞，特别是s o v a ，但是s o v a 算法的复杂度是最低的：迭代次数对系统的性能也有 相当的影响，迭代次数越多，性能越好，但随着迭代次数的增加，性能的改善呈递减趋势， 在实际系统当中，4 次迭代就足够了。 第1 4 页 重庆邮i u 学院硕 论文 3h a r q 技术 h a r q 技术是a r q 和前向纠错( f e c ) 相结合的筹错控制方法，通过发送附加冗余信 息。改变编码速率来自适应信道条件。在h a r q 方式中，发端发送的码不仅能够检错。而 且还具有一定的纠错能力。收端译码器收到码字后，首先检验错误情况，如果在f e c 码的 纠错能力以内，则白动进行纠错，如果错误过多，超过了f e c 码的纠错能力，但能检测出 来，则接收端通过反馈信息给发端发个判决信号，要求发端重发信息。这种方式在一定程 度上避免了f e c 方式需要复杂的译码没备和a r q 方式信息连贯性差的特点，并能有效降低 整个通信系统的误码率，冈此这种方式今年来发展很快，特别是在卫星通信和无线通信中得 到了较，“泛的应用。 概括地说h a r q 系统就是在a r q 系统中引入一个f e c 子系统，这个f e c 子系统用 来纠止经常出现的传输错误以减少重传次数，即在f e c 码的纠错能力范围内自动纠正错 误，超出纠错范围则要求发送端重新发送。这是一种折中的方案，既增加了系统的可靠性， 又提高了系统的传输效率。 3 1h a r q 分类 h a r q 可以分为二类： l 第一类h a r q 当前3 g p p ( r 9 9 ) 规范中所采用的a r q 方案被称作h - a r qt y p ei 。在这种简单的 h a r qt y p ei 方案中，数据被加以c r c 并用f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 编码。 在接收端解码f e c 并用c r c 监测分组质量。如果分组有错误，需要一个分组 ( r l c p d u ) 重传，而错误的分组被丢弃，重传分组采用与前一次相同的编码。 1 1 第二类h a r q 第二类h a r q 方案属丁递增冗余( i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ) 的a r q 方案。与第 一类h a r q 方案不同的是，当发现当前接收到的分组错误时，接收端通知发端重传的 信息为递增冗余信息，接收端只有将该重传信息与接收端缓存的码字合并后才能译码 图3 - l 是一个第一二类h a r q 方案的一个示例： 第1 5 页 蕈庆邮i 乜学院硕1 ：论文 。出恤h j ( 。 ，一 - - - 、 h l l sl kh l 厂 八，4 ， ，l 一一一、 二二二 m 圈3 1 第二类h a r q 编码结构示例 如图3 - 1 所示，码字c o 为( l ，k ) 检错码，码字c l 为( 2 l l ) 的纠错码。发 送端第一次发送数据分组i ( 卸c o ) ，接收端对接收到的数据进行校验，如果没有发现 错误则发送a c k 信息否则发送n a c k 信息。当发端收到来自接收端的n a c k 信息指 示前一传送数据分组出错时，则另一个l b i t 的数据分组p 0 ) 被发送，接收端把接收到 的p 0 ) 与先前的l 合并( 即构成c i ) 雨进行解码和校验。第二发送的p 0 ) 就是我们所说的 增鼙冗余信息，它1 0 第一次发送的i 不同。 l i i 第二类h a r q 第二类的h a r q 方案也属丁增麓冗余0 r ) 方案，它与第二类n a r q 不同的是重传 码字具有自解码能力，因此接收端可以直接从重传码字当中解码恢复数据，也可以将 出错重传码字与已有缓存的码字进行合并后解码。继续采用在t y p ei ih y b r i da r q 当 中的例子，t y p e1 1 1h y b r i da r q 的最大不同就是可以根据重传的p 0 ) 恢复出数据i 另 外根据重传的冗余版本不同，第二类h a r q 又可进一步分为两种，一种是只具有一个 冗余版本的第二类h a r q ，也称为具有软合并的h a r q ，各次重传冗余版本均与第一 次传输相同( c h a s ec o m b i n g ) 。另一种是具有多个冗余版本的第三类h a r q ，各次重 传冗余版本均与第一次传输不同。 3 2h a r q 机制 -l h a r q 系统主要有3 种基本的机制：停等机制( s t o p - a n d w a i ta r q ，简称s a w a r q ) 。 后退n 步机制( g ob a c kna r q ，简称g b n - a r q ) 以及选择重传机制( s e l e f t i v er e p e a t a r q ，简称s r a r q ) 。下面分别讨论这几种机制的工作原理和性能。 3 2 1 等停机制 在采用停等机制的通信系统当中。发端每发送一个码组就停下来等候从收端返回的应答 信号如果一个码组在收端被正确接收，收端就经过反向信道送给发端一个肯定应答信号 a c k ，发端收到a c k 信号后，就接着发送下个码组。如果收端检出错误，就经反向信道 第1 6 页 重庆邮电学院硕i ：论文 送给发端一个否定应答信号n a c k ，发端收到n a c k 信号后就知道收端没有接受这个码组 ( 出错) ，y - 是重传原米的码组，一直剑收到肯定应答信号a c k 为止。s a w a r q 的1 作过 样如图3 - 2 所示。 发端收端 时 问 轴 l 等待时闻 等待时间 n a c k l l 等待时间 等待时问 a c k i ! ! 堕堡啦 l _ p 一 2 。 等待时间 2 图3 2 等待机制示意图 可以看出，s a w a r q 系统非常简单，容易实现，目前许多实际的数据传输系统都采用 这种机制。该系统有一个不可克服的缺点是每传送一个码组都要有一个等待时间( 占空时 间) 。码组越短，占空时间相对越长；码组越长，占空时间相对越短( 接收端译码时间较长) 如果码组太长，出错的机会就会增加，从而出现反复重传，因此传输效率不会太高，信道利 用率也低。 评价s a w a r q 性能主要有2 个指标：系统输出的误码率和传输信息的有效性( 通过 率) 。反馈重传差错控制系统中的通过率，7 定义为：单位时间内接收端译码器接收并送给用 户的平均信息数目e ( m ) 与发端在单位时间内发送的平均数据数目e ( 矿) 之比，即 。 e ( a 4 ) 驴丽 ( 3 1 ) s a w a r q 系统中的反向信道仅用来传输2 个应答信号，因而应答信号的纠错能力可以 做得很高。例如，可以应用( 一，1 ) 重复码的2 个码字一全1 和全0 码字，分别代表a c k 和 n a c k ，发送端利_ f j 人数判决译码能纠止个错误，从而保证戍答信号能以很高的概率被 正确识别。在此意义上可认为反向信道传输应答信号是无误的，它是一个无扰信道在这种 假定反向信道是无扰信道的情况下，接收端收到并送给用户数据的事件由以下2 个事件组 成： 第1 7 页 1 ) 接收端正确收剑码字( 产生此事件的概率是匕) 2 ) 接收端收剑一个不能检测出错误的码组( 产生此事件的概率为p 蛐) 由上述2 个事件可求得接收端送给用户数据组的错组率为 。彘= 南 ( 3 2 ) 式中，是接收端收到一个能检测出错误码组事件的概率，且气+ 厶+ = 1 。从式 ( 3 2 ) 可知，适当选择检错码可使不可检错概率厶 尸w ，从而使系统的只洲非常小如 果反向信道是有扰的，则分析更为复杂，在此情况卜收端送给用户的错字主要由漏组和重复 组引起，而真止的不可检错概率很小。s a w a r q 系统的通过率 七 2 两两( 3 - 3 ) i 甩+ f + j l 也 。 式中，刀是码& ：七是信息位数；r 为环路时延，它包括双向路径时延和收发转换时间：s 是应答信号所i 的时间；r + j 称为等待时间，显然，5 越长，通过率越低；是接收端 每送给用户一个码字平均所需的传送的组数，显然，若不需要重传，= 1 。重传