（通信与信息系统专业论文）比特交织编码传输技术研究.pdf

摘要比特交织编码技术兼具结构简单、易于兼容其他传输技术以及时间隐分集等优点，不仅广泛地应用于各种商用通信系统，而且还是下一代无线移动通信链路中的关键技术。但是，它仍然存在一些新的技术挑战，尤其是随着目前t u r b o 译码思想越来越广泛和深入的应用，导致其分析方法和传统方式具有很大的差异。本文就针对不同信道类型下的比特交织编码传输系统，研究了其性能界、无记忆信道下的标识设计与应用、多径信道下迭代接收机结构简化、非理想信道对迭代接收性能的影响，以及迭代信噪比估计等方面的问题。主要内容包括：1 性能界是一种有效的描述系统传输性能优劣的指标。在分析已有b i c m 性能界的基础上，针对当前删余界理论存在定义模糊的问题。提出了修正的删余界定理；给出了确定成对错误事件的步骤和修正的距离计算方法，通过实例解释了它与已有结果的差异和共同点；并且为了计算方便，还给出了相应的简化结果。2 利用修正删余界所对应的h a r m o n i c 均值，对b i c m 和b i c m - i d 下的二维星座标识进行了研究。就b i c m 提出了一种简单有效的树搜索算法，以h 壮m o n i c均值为度量，得到了高阶q a m 下的最佳g r a y 标识结果；迸一步从结构性角度探讨了适合b i c m i d 的标识映射，由此得到的标识具有较好的渐进性能；同时以有无理想译码反馈下最大h a r m o n i c 均值为目标。采用b s a 搜索分析了8 i c m i d 折衷收敛性能与渐进性能的优化设计。给出了多种6 4 q a m 的搜索结果；最后，给出了一个b i c m 应用在编码协作体系下的示例，采用性能界分析了分集度。3 针对比特交织编码系统在多径信道下的迭代接收，以e x i t 图为工具分析了t u r b o 均衡中不同均衡算法与映射方式下的性能；提出了一种迭代控制策略，将t u r b o 均衡在满足一定准则条件时切换为b i c m d 译码，以降低系统复杂度。4 研究了信道条件非理想对迭代接收的性能影响和迭代信噪比估计。首先采用e x i t 图，分析了非理想信噪比对b i c m i d 和t u r b o 均衡的影响；类似地，还分析了信道响应非理想对t u r b o 均衡的影响；讨论了噪声类型不一致时迭代接收机优化的问题，并以b i c m - i d 为例，提出了一种门限近似的简化算法；最后，再由最大期望准则提出了一类迭代信嗓比估计方法，包括高阶调制情况下先验等概和先验不等概的估计算法。针对上述提出的各种分析方法和算法，本文均给出了较为详细的证明分析步骤以及充分的性能仿真结果。关键词：比特交织编码调制带迭代译码的比特交织编码调制删余界t u r b o 均衡外信息转移图信噪比估计a b s t r a c tb i t - i t e r l e a v e dc o d e dt e c h n o l o g yh a st h ef e a t u r e so fs i m p l e - s t r u c t u r e , e a s y - c o n f i g u r a t i o na n dt i m ed i v e r s i t y i ti sn o to n l yw i d e l ya p p l i e di ns e v e r a lp r a c t i c a lc o m m u n j c a t i o ns y s t e m s ，b u ta l s oa t t r a c t i v ei nt h en e w g e n e r a t i o nw i r e l e s sl i n kt r a n s m i s s i o na sak e yt e c h n o l o g y b u tt h e r ea r es t i l lm a n yp r o b l e m s e s p e c i a l l yw h e nt u r b op r i n c i p l ei si m p o r t e d , t h ea n a l y s i sm e t h o di sm u c hd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lo n e s a sf o rb i t - i n t e r l e a v e dc o d e dt r a n s m i s s i o n 谢t hd i f f e r e n tc h a n n e lm o d e l s , s o m et o p i c sa r es t u d i e d ，w h i c hi n c l u d ep e r f o r m a n c eb o u n d ，l a b e l i n gd e s i g ni nm e m o r y - l e s sc h a n n e l sa n di t sa p p l i c a t i o n ，s i m p l i f i e ds t r u c t u r eo ft h ei t e m t i v er e c e i v e ru n d e rm u l t i - p a t hc h a n n e l s ，t h ei m p a c to f n o n - i d e a lc h a n n e li n f o r m a t i o na n di t e r a t i v es i g n a l t o - n o i s er a t i o( s n r ) e s t i m a t i o n 1 p e r f o r m a n c eb o u n di sa ne f f e c t i v et o o lt ov a l i d a t et h et r a n s m i s s i o ns y s t e m b a s e do nt h es u m m a r yo ft h ek n o w no l l e si nb i t - i n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o n ( b i c h 职t h em o d i f i e de x p u r g a t e dt h e o r i e sa r ep r o p o s e dt os o l v et h ea m b i g u i t yi nt h ef o r e g o n eo n e t h em e t h o d sa r ep u tf o r w a r dt od e t e r m i n a t et h ep a i r - w i s ee r r o re v e n ta n dc a l c u l a t et h ea m e n d a t o r ye u c l i d e a l ld i s t a n c e t h e i rc o m m o ng r o u n da n dd i f f e r e n c ea r ei l l u s t r a t e da n di n t e r p r e t e dt h r o u g hr e p r e s e n t a t i v ee x a m p l e s t os i m p l i f yt h ep r o p o s e db o u n d , a l la p p r o x i m a t e do n ei sa l s op r o p o s e d 2 h a r m o n i cm e a l l sc o r r e s p o n d i n gt ot h en e wb o u n d sa r eu s e dt os t u d yt h el a b e lo fb i c ma n db i t i n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o n 谢也i t e r a t i v ed e c o d i n g ( b i c m 一) ) as i m p l et r e es e a r c h i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e dt of i n dt h eg r a yl a b e ls e t u s i n gt h en e wh a r m o n i cm e a n s ，t h eo p t i m u mg r a yl a b e l sf o rh i g h - o r d e rq a ma r eo b t a i n e d f r o mt h es t r u c t u r ep o i n t , t h el a b e l ss u i t e dt ot h ei t e r a t i v ed e c o d i n ga r ed i s c u s s e d , w h i c hh a sg o o da s y m p t o t i cp e r f o r m a n c e a l s ot h ep r o g r a m m i n go f j o i n th a r m o n i cm e a n sw i t h o u ta n d。w i t he r r o r - f r e ef e e d b a c ka r eb u i l t ，w h i c hi ss o l v e d 研b s a t h el a b e l sa r et h er e s u l t so ft h et r a d e o f fo ft h ec o n v e r g e n c ep e r f o r m a n c ea n dt h ea s y m p t o t i c s o m en e wl a b e l sa l eg i v e nf o r6 4 q a m a sf o ri t sa p p l i c a t i o n , a ne x a m p l ei nc o d e - c o o p e r a t i o ni sl i s t e dw i t l li t sa n a l y s i s 3 f o rb i t i n t e r l e a v e dc o d e ds y s t e mi nm u l t i - p a t hc h a n n e l ，u s i n ge x t r i n s i ci n f o r m a t i o nt r a n s f e r ( e x i t ) c h 3 r t ，t u r b oe q u a l i z a t i o nw i t hd i f f e r e n te q u a l i z e r sa n dm a p p i n g sa r ea n a l y z e d as t r a t e g yo fi t e r a t i v ec o n t r o li sp r o p o s e d u n d e rt h eg i v e np r i n c i p l e ，t u r b oe q u a l i z a t i o nc a nb es w i t c h e dt ob i c m - t dw i t hs o m ei t e r a t i o n ，w h i c hr e d u c e sc o m p l e x i t yo f t h es y s t e m 4 t h ee f f e c to f n o n i d e a lc h a n n e lc o n d i t i o no nt h ei t e r a t i v er e c e i v e ri sd i s c u s s e d a l s os n re s t i m a t i o n u s i n ge tc h a r t t h ei m p a c t so fu n m a t c h e ds n rp a r a m e t e ro nb i c m i da n dt u r b oe q u a l i z a t i o na r es t u d i e d u s i n gt h es a n l em e t h o d ，t h a to fc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o nw i t hg t q o ro nt u r b oe q u a l i z a t i o ni sa l s od i s c u s s e d t h e n , t h eo p t i m i z a t i o ni ss t u d i e da b o u tt h ei t e r a t i v er e c e i v e rw i t hu n m a t c h e dn o i s et y p e b i c m i di su s e da sa ne x a m p l e as i m p l i f i e ds u b o p t i m a la l g o r i t h mw i t ht h r e s h o l da p p r o x i m a t i o ni sp r o p o s e d f i n a l l y , ac l a s si t e r a t i v es n re s t i m a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e du s i n gt h ee x p e c t a t i o nm a x i m i z a t i o n p r i n c i p l e me a i m a t i o nm e t h o da n di t ss i m p l i f i e dv e r s i o nw i t he q u a lap n o na r ei ni t , a l s ot h a tw i t hf e e d b a c ke x t r i n s i ci n f o r m a t i o n t h ep r o p o s e da n a l y s i sm e t h o d sa n da l g o r i t h m si nt h i sd i s s e r t a t i o na r ev a l i d a t e dt h r o u g ht h e o r e t i c a lp r o o f a n ds i m u l a t i o ni nd e t a i l k e y w o r d s ：b i t - i n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o n ( b i c m ) b 睢i n t e d e a v e dc o d e dm o d u l a t i o nw i t hi t e r a t i v ed e c o d i n g ( b i c m i d )e x p u r g a t e db o u n d ( e x b ) t u r b oe q u a l i z a t i o ne x t r i n s i ci n f o r m a t i o nt r a n s f e r ( e x i t ) c h a r ts i g n a l - t o - n o i s er a t i o ( s n r ) e s t i m a t i o n常用符号、函数与操作符定义和英文缩写文中常用符号、函数与操作符定义和英文缩写符号定义z星座点集合“信息比特b二进制比特c编码比特x矢量黑体矩阵或集合函数与操作符定义q ( )g a u s s i a n 积分函数( b转换到比值d b 单位( ) 。矩阵逆xx 的补运算( ) r矢量或矩阵转置( ) ”矢量或矩阵h e r m i t i a n 转置( 共轭转置)( ) +变量、矢量或矩阵共轭| i变量的模值e ( )随机变量或矢量均值v a r ( )随机变量或矢量方差dc o v ( a ，6 ) = e 扣- e ( a ) e b e ( 6 ) 随机变量互相关操作d i a g 括号内矢量分量为矩阵对角线元素，矩阵其他元素为零英文缩写a e x b近似删余界( a p p r o x i m a t e de x p u r g a t e db o u n d )a w g n加性白高斯噪声( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e )b e r误比特率( b i te r r o rr a t i o )b g贝努利一高斯( b e r n o u l l i - g a u s s i a n )b i c m比特交织编码调制( b i t - i n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o n )b i c m i d 带迭代译码的比特交织编码调制( b i t i n t e r l e a v e dc o d e dm o d u l a t i o nw i t hi t e r a t i v ed e c o d i n g )b s a二进制交换算法( b i n a r ys w i t c h i n ga l g o r i t h m )c c编码协作( c o d e dc o o p e r a t i o n )c r b克拉美一劳界( c r a m e - r a ob o u n d )c r c循环冗余校验( c y e h cr e d u n d a n c yc h e c k )c s i信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n )i i常用符号、函数与操作符定义和英文缩写d ad f ee b n oe fe me x be x i ti s il l ri m m s em a pm a s km d 讧0m l删 i m s es km q a mm s e wm s pn d ap e ps i cs i s 0s n ts n rs pt c mu bz f数据辅( d a t a - a i d e d )判决反馈均衡( d i c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z a i t o n )比特信噪比( e n e r g y p e r b i t t o n o i s e )理想反馈( 无误反馈) ( e r r o r - f r e ef e e d b a c k )最大期望( e x p e c t i o nm a x i m u m )删余界( e x p u r g a t e db o u n d )外信息转移( e x i t r i n s i ci n f o r m a t i o n t r a n s l )符号问干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e )对数似然比度量( l o g a r i t h m i cl i k e l i h o o dr a t i o )线性最小均方误差( l i n e a r m i n i m u mm e a ns q u a r e de r r o r )最大后验概率( m a x i m u map o s t e r i o rp r o b a b i l i t y )多进制幅度键控( m a r y a m p l i t u d es h i f tk e y i n g )多输入多输出( m u l t i h p u tm u l t i o u t p u t )最大似然( m a x i m u m l i k e l i h o o d )矩方法( m o m e n tm e t h o d )最小均方误差( m i n i m u mm e a ns q u a r e de r r o o多进制相移键控( m a r y p h a s es h i f t k e y i n g )多进制正交振幅调制( m a r y q u a d r a t u r e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n )最大均方欧式权重( m a x i m u ms q u a r e d e u c l i d e a n w e i g h t )修正的子集分割( m o d i f i e ds e t - p a r t i t i o n i n g )非数据辅助( n o n d a t a - a i d e d )成对错误概率( p a i r w i s ee r r o rp r o b a b i l i t y )软抵( s o f t - i n t e r f e r e n c e c a n o e d软输入软输i j ( s o f t - i n p u ts o f t o u t p u t )信干比( s i g n a l - t o - n o i s ea n di n t e r f e r e n c er a t i o )信噪比( s i g n a l - t o - n o i s er a t i o )子集分孝j ( s e t - p a r t i t i o n i n g )网格编码调制( t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n )联合界( u n i o nb o u n d )迫零( z e r of o r c i n g )西安电子科技大学学位论文独创性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的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；也不包含为获得西安电子科技大学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做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，本人承担一切的法律责任。本人签名：只期垒) ：! ：西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公御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论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。本人签名：导师签名：日期墨= 曳丝堡泣鹭互盖第一章绪论第一章绪论本章概述了当前通信技术的发展与现状，简单归纳了比特交织编码传输技术的发展，尤其是它与t u r b o 原理的结合，介绍了全文的主要内容和结构框架伴随着集成电路的发展，数字通信技术自二战后完成了从理论研究向大规模应用的转变。在此过程中，业务经历了从简单指令向多元化多媒体的发展历程。对商用系统而言，为满足人们宽带、便携以及多业务的需求，寻求一种大容量、高速率的传输网络是它发展的必需和必然。为此，近十年的时间里，已有网络( 第二代无线移动标准( 2 t hg e n e r a t i o n , 2 g ) ) 不断升级，越来越多的厂商参与到第三代无线通信标准( 3 g ) 的标准化和商用铺设，更新的无线技术也陆续从实验室走出来，成为新通信标准0 3 3 g ，4 g ) 的候选。与此同时，迅猛发展的无线局域网( w l a n ) 和城域网m 硝n ) 也成为了无线网络的重要组成部分。对特种通信、有线通信以及磁盘记录等系统而言，利用新技术来发掘潜力，进一步提供通信容量和质量在近几年里也是备受关注。在诸多传输技术中，比特交织编码由于具有结构简单、易于兼容其他技术以及时问隐分集的特点而被很多系统所采用或各选。此外，t u b o 码所延伸的t u r b o 原理在编码比特交织系统中的应用成为了目前学术界的一个研究热点。本文主要研究比特交织编码传输技术，内容集中在：性能界、标识设计与应用、迭代接收结构简化、非理想信道参数对迭代接收的影响与迭代信噪比估计等几个方面。1 1 无线通信的发展和现状简述无线通信自马可尼的无线电报开始到现在已经历了超过1 0 0 年的历程。作为其中的一个主要内容，移动通信随着蜂窝概念的引入在近三十年来才开始真正成为向所有人提供服务的一项工具。其发展经历了一个从模拟到数字，从语音到数据乃至多媒体的过程。第一代移动通信系统以a m p s 、t a c s 和n m t s 等为主，它简称为1 g 。十年后，以g s m 和i s - 9 5 为代表的第二代系统( 2 固由于采用了高频谱利用率的调制技术和小区制等手段提高了系统容量，同时提供语音和数据业务，而被广泛采用。直到现在，它仍然是移动通信市场的一个重要部分。近十年来，第三代系统( 3 g ) 逐渐在全球范围内开始建立，典型的标准为欧洲，日本的w c d m a 、美国的c d m a 2 0 0 0 以及我国的t d s c d m a 。目前，全球近7 5 个国家地区有超过1 6 0 个商用的3 g 系统，我国的3 g 应用已经指日可待。随着以构建无缝网络为目标的通信框架建立和实现，无线英特网需求也来也迫切。此外，结合有限的有效频谱资源，这样对基于分组传输系统而言，多级服务质量、更高频谱利用率和更高数据率的需要与日剧增。因此，2 g 提出了诸如g p r s 和e d g e 等标准，俗称为2西安电子科技大学博士论文一比特交织编码传输技术研究2 5 g 或2 7 5 g 。类似的，3 g 也出现了如h s d p a 、h s u p a 和c d m a 2 0 0 0l x e x - d or e v i s i o n 0 的升级版标准。这些扩展标准主要是针对数据业务，毕竟对语音而言，2 g 已经做的很好了。从上述发展历程来看，移动通信提供的服务从质量到内容已有很大的变化。然而，提供诸如高保真的音频和高清晰的视频等多媒体业务的新的需求也出现了。这一点上，上述通信系统远不及有线通信。因此，3 g p p 在对最初标准升级的同时，启动了长期演进计划( l t e ) ，其目标是下行1 0 0 m b p s ，上行5 0 m b p s 。很多国家和公司开展了第四代或下一代系统( 4 g b e y o n d3 g ) 的研究，以从根本上解决这一问题。国际电信联盟( r r u ) 对未来移动通信的设想就是在大约2 0 1 0 年可以在高速移动情况下支持约1 0 0 m b p s 的峰值数据率，而低速移动时支持可高达1 g b p s 。这方面目前已经取得了一些成果。我国在2 0 0 1 年启动了f u t u r e计划，并于2 0 0 6 年年底顺利结题。在移动通信迅猛发展的同时，另一类面向固定和低速移动的无线通信系统也有长足的进步。一种是无线局域网( w l a n ) ，包括i e e e 的8 0 2 1 1 系列和e t s i 的h i p e r l a n 系列标准。另一种是无线城域网( w m a n ) 标准，即i e e e 8 0 2 1 6 系列。部分专业人士认为8 0 2 1 6 e 是3 g p pl t e 的主要竞争对手之一。目前，国内部分城市( 如广州) 已在2 0 0 6 年开始考虑铺设8 0 2 1 6 e 。这类系统都具有较高的数据传输率，采用的技术包括了近二十年来认可的高新技术，如o f d m 、m 讧o 技术、t u r b o码、h - a r q 技术以及自适应技术等。除此以外，其他系统中不断展开了新技术应用。深空数据标准咨询委员会在n a s a j p l 和欧洲空间局的编码设计基础上采用了t u r b o 码方案。x d s l 、电力线通信、室内通信和卫星通信等一些已经成熟的领域中有关迭代接收的研究成果也不断出现。综上，高效和适应性强的传输方式是这些通信系统所追求的。其中，高的频谱利用率和新的接收方式是两个重要方面。比特交织编码技术由于具有结构简单、兼容性好和时间隐分集等特点而广受青睐。它包含两层含义，一，无记忆信道下的编码调制研究，包括比特交织编码调制( b i t - i n t e r l e a v e dc o d e am o d u l a t i o n ，m c m )和带迭代译码的b i c m ( b i c mw i t hi t e r a f i v ed e c o d i n g ，b i c m 1 3 ) ；二，有记忆信道下的接收技术，尤其是迭代接收，如t u r b o 均衡。目前，针对比特交织编码技术理论和应用，很多专家学者已经进行了大量的研究。1 2 比特交织编码传输技术简述本节从比特交织编码调制与t u r b o 接收两方面简述比特交织编码技术进展。1 2 1 比特交织编码调制第一章绪论编码调制技术实现信道编码和数字调制联合优化，其思想最早由m a s s e y i q 在1 9 7 4 年提出。上世纪7 0 年代，i m a i 、h i r a k a w a 和u n g e r b o e c k 2 】的研究表明，调制和编码可以作为一个整体联合优化，在欧几里德空间优化码字，利用简单的编码就可以获得大的编码增益。1 9 8 2 年u n g e r b o e c k 提出网格编码调制( t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n , t c m ) 方法【3 1 。通过信号集合扩展、子集划分标识、以及联合编码和调制的设计，t c m 获得几个分贝的编码增益而不降低带宽效率。此后，出现了一些优化t c m 的结果，如非对称t c m l 4 。但由于设计t c m 的背景是加性白高斯噪声( a d d i t i v e w h i t e g a n s s i a nn o i s e ，a w g n ) 言道，以最大欧式距离为设计准则，而分集才是衰落信道中有效的补偿手段，因此衰落信道下t c m 的性能较差。为此，文献 5 】在t c m 中引入了多维调制，文献 6 】提出了多级t c m ，文献【7 】提出了i - q 交织t c m 等。这些方法以增加分集秩为主要目的，在衰落信道下可以获得较好的性能。与t c m 不同，z e h a v i 在1 9 9 2 年提出了一种b i c m 方案i 叭他通过把传统的二进制纠错码和一组独立的比特交织器连接起来以增加分集阶数，非常适合衰落信道。结合复杂度低和设计灵活的特点，b i c m 在自适应传输1 9 l 和多天线系统下应用t 1 0 j q 常广泛。1 9 9 8 年，c a i r e 等人建立了b i c m 理论框梨u 】，并指出g r a y 标识是最优映射方法。该框架在研究比特交织编码传输系统性能中非常有效。实际商用系统采用t c m 的较少( 如a t s c ) ，而应用b i c m 的系统较多，如i e e e8 0 2 1 1 8 、h i p e r l a n 2 、d v b 以及i s d b - t 等。除此以外，各种现行移动通信以及长期规划都采用了该技术。受t u r b o 码影响，1 9 9 7 年李晓东和r i t c e y 提出将d i c m 的译码器输出反馈到解调器更新【1 2 】，通过迭代提高性能。这类方法简称为b i c m - i d ，最初采用硬判决反馈，后续研究表明软信息反馈性能改善更大。b r i n k 通过外信息转移( e x t r i n s i ci n f o r m a t i o nt r a n s f e r ，e x i t ) 图研究了标识对b i c m - i d 的影响【】，与此同时，r i t c e y团队对其做了更为深入的研究【1 4 2 0 1 ，包括多进制相移键控( g - a r yp h a s es h i rk e y i n g , m - p s k ) 和多进制正交振幅调s j j ( m - a r yq u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ，m q a m ) 最优标识设计、交织器设计与多天线下应用等等。b i c m m 的研究大部分集中在标识设计，分析方法借助于e x i t 图或无差错反馈假设下界分析 2 1 “2 2 。目前得到的成果比较广泛，规则星座结果主要集中在1 6 q a m c l 4 1 5 1 1 7 1 1 2 3 2 5 1 的最优标识，非规则的包括星座非规贝u t 2 6 j ，参杂标侧2 7 1 、多维映射1 2 2 1 、非唯一映射【3 埘1 以及预编码【3 习等等。此外，迭代差分解调 3 6 - 3 7 1 、多天线复用3 8 1 、空时b i c m i d l 3 o 】以及次优检测【4 1 】等研究是最近几年的成果。由于b i c m i d 可以给系统带来逼近香农限的性能，从而最大程度地提高系统的频谱效率，因此受到了学术界和工业界地广泛重视。但迄今为止，仍然没有一般性的最优设计方法，此外，高阶调制下的映射优化非常困难。4西安电子科技大学博士论文一比特交织编码传输技术研究1 2 2 有记忆信道下的迭代接收在研究t u r b o 码迭代译码原理中，h a g e n a u e r 将译码过程与内燃机的工作进行了类比【4 2 1 。他与b e n e d e t t o 和d i v s a l a r 等人由此提出的t u r b o 原理【4 州5 嵫述了t u r b o译码算法过程。虽然这仍然没有真正解释t u r b o 码的原理，但是这种策略指出了通信接收机中不同模块软信息迭代交换可以提高系统性能的机理。更一般地，接收机的各个环节都可以考虑这种准则，这样一类全新的接收机结构也就出现了。同时，b r i n k 提出了研究迭代过程中的动态和收敛性能的分析方法【拍j 。作为有记忆信道下的比特交织编码传输，传统的接收形式都是独立模块进行的。这种接收已有大量的理论和工程成果。而随着t u r b o 原理的引入，作为迭代接收最典型的形式，t u r b o 均衡则由c d o u i l l a r d 、j e z e q u e l 和c b e r r o u 在1 9 9 5 年提出【4 7 1 。但直到1 9 9 9 年王晓东在c d m a 多用户系统下给出基于m m s e 准则下的并行干扰抵消 4 8 倨，该技术才被广泛关注。在假定信道条件已知下，它可以分为两类：基于格图的序列检测和基于滤波器的符号检测。前者采用最大似然( m a x i m u ml i k e l i h o o d ，m e ) 或最大后验概率( m a x i m u map o s t e r i o rp r o b a b i l i t y , m a p )意义下的软输入软输, , ( s o f m n p u ts o f t - o u t p u t ，s i s o ) 结构在信道具有很大的记忆集( 多径时延较大) ，或是高阶调制下，对应的复杂度很高。因此，大量的卷积码译码算法被移植过来，典型的如m 方法、树搜索、堆栈搜索等，这些算法可见 4 9 - 5 2 。基于滤波器的t u r b o 均衡是在传统均衡算法下扩展得到的。t u e h l e r 给出了m m s e准则下几种t u r b o 均衡算法及简化实现1 5 3 吲l ，文献 5 5 1 扩展到高阶调制上。鉴于文献【5 3 】和【5 4 仲输出复信号实虚部独立的假设不准确，文献【5 6 给出了实虚部相关条件下修正算法，性能较原算法有近l d b 增益。此外，文献【5 3 】指出由于误差传播的影响判决反馈均衡( d i c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z a i t o n ，d f e ) 不适合迭代t u r b o 均衡，文献 5 7 1 修正了反馈更新使得d f e 结构也适合于t u r b o 均衡。l a o t 等人考虑了联合自适应均衡与信道译码方法【5 8 - 5 9 1 ，在时变和时不变r a y l e i g h 信道下该技术在高阶调制系统中应用具有很大的潜力。此外，t u r b o 均衡收敛性分析也由最初的e x i t图【5 3 1 扩展到半分析工具【6 n ，性能由仿真发展到预测【6 2 1 。这些单天线下的算法和分析工具也可以延扩在各类实际系统中。文献 6 3 】给出了单载波频率t u r b o 均衡算法，为降低该系统中循环前缀长度：文献【6 4 】提出的t u r b o 均衡可以在时延扩展很大时仍保持相近的系统性能。在o f d m 传输中，将t u r b o 均衡应用于符号间干扰抵消、子载波干扰抵消以及缩短保护前缀等方面获得了很好的性斛”- 6 7 1 。在已有的商用系统下，如h s d p a t 6 针、t d c d m a 6 9 1 以及s d m a l 7 0 等，也探讨了使用该技术。除此以外，多天线系统，如s t b c 以及b l a s t 等，近年来都陆续出现了t u r b o 均衡应用实例 7 1 - 7 2 1 。作为相干接收机一个重要部分，信道估计通常是基于已知信号( 如训练序列或第一章绪论5导频) 。己知信号过多会降低有效信号传输率，而过低则估计精度不够。这样可以采用较少已知信号初始估计信道，然后由接收数据判决更新估计参数的方法由判决形式，这类方法可以分为硬判决更新【7 3 l 和软判决更新1 7 4 1 。但这种更新受限于判决方式和信号可信度，尤其是后者。考虑到译码信息可信度高于符号，因此，结合软译码的信道估计算法成为了近年的一个研究热点。这些算法中l s 和【，m s估计是两种常用算法i j 瑚。此外，最大期望( e x p e c t i o nm a x i m u m ，e m ) 最初用于迭代符号检测【7 6 l ，将其应用于信道估计时，最主要的问题是它是有偏的【7 7 】。文献 7 s 】给出了一种无偏的e m 方法和基于条件期望最大的e m 算法。文献【6 3 】给出了迭代信道估计时单载波频域均衡对应的t u r b o 接收算法。除此以外，t u r b o 原理还可以应用在接收机同步环节。文献【7 9 】给出了t u r b o同步的理论框架，文献 8 0 】和【8 1 】给出了e m 下内插算法和t u r b o 载波恢复，有关这一部分近期结果可参见文献 8 2 】总而言之，t u r b o 原理在接收机中的应用直接导致了次优联合接收成为可能。虽然由于复杂度和时延等问题困扰着它的应用化进程，但由于该技术优良的性能，因此不论是对一般商用系统还是特种通信来说都是非常有吸弓i 力的。目前，虽然这方面已有较多的成果。但离实际应用还远远不够。作为最主要的形式，t u r b o 均衡，已有的研究包括算法性能优化、评估、降低复杂度以及扩大应用领域等几个方面。全面研究是非常困难的，本文仅针对算法分析和接收机迭代控制两方面进行研究。1 3 论文主要内容与创新点如前面所述，比特交织编码虽然应用广泛，但不论是理论还是应用都存在一些尚未解决的问题。尤其是在引入t u r b o 原理后，从其算法设计到分析方式，仍然存在许多技术挑战及优化空间。通过研究和总结，目前针对比特交织编码传输的联合迭代检测和译码方面的研究至少有这样几个研究重点：1 ) 性能分析工具：几乎所有基于比特交织编码的传输系统( 包括b i c m b i c m i d 以及扩展比特交织空时编码调制系统) 都基于c a r i e 等【2 5 】人给出的b i c m 系统删余性能限作为误比特率的上限。该删余限假定理想交织，仅考虑起决定作用的成对错误概率。这样处理虽然简化了数学运算，但结果不够准确，特别是非格雷映射时。虽然有文献【8 3 】指出该文定理有误，并有给出了修正的删余界( e x p u r g a t e db o u n d ，e x b ) 计算【8 3 一s 4 1 ，但它们都回避了相关的理论依据。而近年来出现的鞍点近似方法【8 5 】，虽然增加了精度，但类似的问题仍然存在。因此，如何修正b i c m 中删余理论并给出对应的e x b 对完善这部分的理论框架是非常重要的。2 ) b i c m b i c m i d 中标识设计问题：调制端的优化包括星座设计、映射方式设6西安电子科技大学博士论文一比特交织编码传输技术研究计、交织器设计以及纠错编码方式。如果考虑多天线，还应包括空时编码设计、预编码等优化问题。其中，b i c m 最优标识为g r a y ，但高阶q a m 下g r a y 标识不是唯一的。而b i c m i d 由于迭代性能受多种参数影响，最优标识( 主要是高阶星座下) 研究仍然尚未完成。经过学者们的多年研究，目前已有多种典型标识映射f 1 4 1 5 】【1 7 1 1 2 3 _ 捌，如格雷映射、修正分集标识、最大欧式平方重量映射、有效自由距离标识、混合标识等。此外，映射方式的研究已经进一步扩展到非规则星座、预编码、以及多维映射等方面0 0 - 3 ”。3 1b i c m 低复杂度软解调与应用场景的扩展：高阶星座调制下，尤其在结合m i m o 空时复用技术时，m a p 检测算法以及目前的近m a p 检测算法【8 6 】复杂度较高。如何在保证性能的前提下降低这类检测算法的复杂度是一个热点问题，但遗憾的是目前还没有一种公认的最佳算法，其性能和实现复杂度上还存在很大的优化空间。此外，通信领域研究近年来出现了一些新观点和新技术，如跨层设计中的混合a r q 机制【8 7 】、引入博弈理论的协作分集 s s 】等，研究b i c m 在