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浙江大学硕士学位论文 摘要 随着数字通信的发展，人们对可靠数据通信提出了更高的要求。在恶劣的信道条件 下，特别是在高数据率和高的移动速度环境下，多径延迟和多普勒频移将会严重的降低 系统的性能，因而，有效的差错控制技术成为当前无线通信一个关注的焦点。迄今为止， 有两种主要的差错控制机制：前向纠错编码( f e c ，f o n a r de h d rc o r r e c t i o n ) 和自动重 传请求( a r q ，a u t o m a t i cr 印e a tr e q u e s t ) 。而混合自动重传请求( h y b r i da r q ) ，结合 了前向纠错编码的有效性以及自动重传请求的可靠性，将在3 g 超3 g ，或者未来无线移 动通信中被广泛使用，以便为各种数据业务提供需要的不同服务质量。 在m a g n e t ( m yp e r s o n a la d a p t i v eg l o b a ln e t ) 项目中，为个域网( p a n s ，p c r s o n a la r e a n e t w o r k s ) 开发的各种空中接口被广泛研究，单输入单输出多载波扩频系统 ( s i s o m c s s ，s i n 9 1 ei n p u ts i n 西eo u t p u tm u l t i c a 而e rs p r e a ds p e c t m m ) 是高速数据通信 的候选空中接口，单输入单输出多载波扩频系统是一个基于o f d m 在频域进行扩频的空 中接口。在这篇论文中，三种h a r o 方案与单输入单输出多载波扩频系统的结合被提出 来以便改善系统的性能，随后，相应的仿真参数被设定，同时给出了各个方案的仿真结 果，并且作了比较分析。 在发送端和接收端同时使用多个发送天线和多个接收天线来传输数据流的技术称为 多输入多输出技术( m i m o ，m u l t i p l ei n p u tm m 邱1 eo u t p u t ) ，被用来提高系统的频谱效率。 v - b l a s t ( v e r t i c a lb e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r ds p a c e t i m e ) 技术可以和0 f d m 技术结合以便 在高的频率选择性衰落信道下提供高数据率的传输。因为o f d m 技术可以有效的将频率 选择性衰落信道分成几个平坦衰落子信道，我们把m i m o ，o f d m 以及h a r q 结合起 来，可以进一步提高通信的吞吐量和可靠性。 关键字：多载波扩频m a g n e t 正交频分复用混合自动重传请求垂直分层空时码 码率兼容凿孔卷积码 塑坚奎堂堡主兰些堡兰 一一 a b s t r a c t t h ee v o l u t i o no fd i g i t a lc o m m u m c a t i o nh a si n c r c a s e dt h ed e m a i l d sf o rr e l i a b l ed a t a c o m m u n i c a t i o n b u tm u mp a 血sa n dd o p p l e rs h 讯w i l ls e v e r e l yd e g r a d et 1 1 es y s t e m p e r f b m a l l c eu n d e rp o o r c h a n n e lc o n d “i o n s ，s p e c i a l l yi nh i g j ld a t am t e 锄dh i g hs p c e d e n v i r o n m e n t t h u s ，e 硒c i e n te r m rc o n d lt e c l l n i q u eb e c o m e sam 旬o rc o n c e mo fc u r r e m w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s of h rt h e r ea r et w ok i n d so ft e c h n i q u eu s e df o re r r o rc o n t r o l ：f e c ( f o n v a r de 盯o rc o r r e c t i o n ) a i l da r q ( a u t o m a t i cr 印e a t r e q u e s t ) h y b r i da r q ( h y b r i d a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s d ，幢c hc o m b i n e st l l eh i g l le m c i e n c yo f f e ca n dr c l i a b i l 畸o f a r ( 2 ， i su s e di n3 g b 3 go rf b t u r cw i r c l c s sm o b i l ec o n l m u n i c a t i o ns y s t e mb r o a d l yt om a t c ht l l e v 州o u sr c q u i r e i n e n t so f q o s ( ( a l a i i t yo f s e r v i c e ) f o rd a t as e i c e i nm a g n e t ( m yp e r s o n a la d a p t i v eg l o b a ln e t ) a i ri n t e r f a c e sf o rp a n s ( p e r s o n a la r e a n e t w o r k s ) a r ci n v e s t i g a t c d s l s o - m c - s s ( s i n 百ei n p u ts i n g l eo u t p u tm u l t i c 枷e rs p r e a d s p e “n 】m ) s y 蛐ni so n eo f c a n d i d a t ea i ri n t e r f a c e sf o rt h eh i 啦d a t ar a t e ( h d r ) s i s 0 一m g s s i sa n0 f d mb a s e da i ri n t e r f a c ew i t l ls p r e a d i n gi 1 1 行e q u e n c yd o m a i n i nt t l i sp a p c r ，t l l r e ek i i l do f h - a r qs c h 锄e sc o m b i n e d 、v i t l l s i s o m c s s s y s t c m a r cp m p o s e dt o 油p r o v e 也e p e r f o 加a i l c eo fs i s o - m c - s ss y s t e m 1 1 l e n s i l n u l 砒i o np a r 锄t e r sa r es e t u pa n ds i m u l a t i o n r e s l l l t sa r ec o m p a r e db c t w e e nv a r i o u ss c h e m e s a n t e 皿aa r r a ya tb o t l lt l l et r a n s m i t t e r 锄dr e c e i v e rt o 协m s m i tm u l t i p l ed a t as t r e a l t l s ，t e 珊e dt 1 1 e m i m ot e c h n o l o g y ，c 柚b eu s e dt oi n c r e a s es p e c t r a le m c i e n cy v b l a s t ( v e r t i c a lb e l l l a b 咖t 嘶e sl a y i 稍s p a c e - t i m e )c 觚b ec o m b i n e d 砌o f d mt oa c h i e v eh 鼬d a t a 协t e 仃a l l s m i s s i o ni n 舶q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a l l i l e l s a so f d me 腧t i v e l yd i v i d e s 也e 疗铷u e n c ys e l e c t i v ec h a i l i l e li n t oan 啪b e ro ff l a tf 甜i n gs u b c h 釉e l s c o m b i n c d 、v i mh a r q a i l d0 f d m ，m i m oc a i lp o t e m i a l l yp r o v i d eh i 曲e rt 1 1 r o 蚶l p u tp a c k 武d a t as e i c e s 、v i 廿1h i 曲c r r e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：m c s sm a g n e to f d mh - a r qv b l a s tr c p c n 浙江人学硕士学位论文 1 1 无线移动通信的发展 第一章绪论 传统的无线移动通信以话音为主要业务，随着社会生产力的发展，移动用户数量的 增加，人们希望通信系统能够提供更丰富的服务，比如图像传输，v o d ，电话会议，数 据互传等数据和多媒体业务，移动通信由语音通信向多媒体通信转换，数据业务的增加 使得分组业务逐渐占据主导地位，人们的通信方式和内容正在发生重大的变化，这些业 务需要更高的数据率和q o s ，不断推动空中接口的发展，以便适应多媒体和高速数据通 信的需求【1 】。 第二次世界大战之后，公众移动通信系统开始建立，迄今为止，移动通信经历了三 代的发展，如l g 第一代模拟移动通信系统，到2 g 第二代数字移动通信系统，到如今的 3 g 第三代移动通信系统，现在世界范围内，正在进行b 3 g 4 0 ( 超3 g 第四代) 移动通信系 统的研究。下面大致介绍下移动通信的发展： 第一代移动通信系统是模拟系统，大致分为两个阶段，分别为2 0 世纪4 0 年代中期 到7 0 年代中期的第一阶段，采用大区制，同时采用人工交换并实现了与公众电话网的接 续。第二阶段为7 0 年代中期到9 0 年代初期，主要解决了频谱利用率的问题，采用了蜂 窝系统的概念，但是仍存在频谱利用率太低等缺陷。 第二代数字移动通信系统，萌芽于2 0 世纪8 0 年代初期，主要是为了解决第一代系 统的问题，并满足移动容量日益增大的需求，代表性的以t d m a 为多址方式的欧洲g s m ， 以及q u a l c o m 公司的基于c d m a 的i s 9 5 数字移动通信系统。第二代移动通信系统提 高了第一代移动通信的系统性能，能够让更多的普通人享受移动通信的方便，但随着人 们物质文化生活水平的提高，对移动通信业务的需求量越来越大，现在的第二代移动通 信系统越来越难满足人们需求。 第三代移动通信系统( 3 g ) ，在1 9 8 5 年由i t u 国际电信联盟提出，当时称为未来公众 陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，1 9 9 6 年改名为i m t - 2 0 0 0 ，预计提供高达2 m b p s 的速率 业务，同第二代移动通信相比，提供了全球的无缝覆盖和漫游，提供了多种业务，包括 基本的语音，以及数据和多媒体业务，具有高的频谱利用率和高的通信容量。第三代网 络主要集中在服务质量，系统容量，个人和终端的移动性等方面。w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、 浙江大学硕士学位论文 t d s c d m a 等三种被公认为世界各国在商用中采用的主流标准。 第四代移动通信系统( 4 g ) 【2 】【3 】，现在全球正在研究中，4 g 的研究在3 g 系统没 有在全球全面铺丌的同时已经开始了好多年了。由于3 6 的几个标准都采用了c d m a 技术， 而c d m a 技术的干扰，功率和频谱扩展的限制，3 g 系统难以达到预期的物理效率，再加上 3 g 系统全球没有一个统一的标准以及数据率不够高等等缺陷，让人们把更多的目光投向 4 g 系统的发展。按照4 g 现在的研究进度，据专家预测，4 g 系统将会在2 0 1 0 年以后投入 商业运营。 几代无线移动通信系统发展历史见图1 1 故 称辚 嚣艄 昧 睦栅 啦 1 9 8 01 9 9 02 0 0 02 0 l o 年份 图1 1 无线移动通信系统的发展历程 4 g 还在研究当中，根据b 3 g 4 g 移动通信的目标来看，第四代移动通信的特征如下【4 】 【5 】【6 】： 1 ) 大区域覆盖。任何人，任何时间，在任何地点与任何通信对象实行任何形式的通信， 实现真正意义的全球漫游。 2 ) 网络频率更宽，通信速度更快。据研究，每个4 g 信道将占有l o o m h z 的频谱，是3 g 标准之一w c d m a 网络的2 0 倍。专家预估，4 g 移动通信系统的数据率可以达到l o 一2 0 m b p s ， 最高可以到1 0 0 m b p s 。 3 ) 完全集中的服务以及更高质量的多媒体通信。信息系统，广播，个人通信以及娱乐等 等业务将结合为整体，服务和应用将更加广泛安全。能够提供语音，数据，影像等等高 品质的通信。 4 ) 无所不在的移动接入和更高的智能性。用户可以任何时间任何地点通过无线移动接入 的方式获得娱乐，广播和语音服务，而且第四代移动通信的智能性能将很高，比如，终 浙江大学硕士学位论文 端可以根据环境，时间，适时提醒终端的使用者。 5 ) 通信将更加灵活，通信费用将变得便宜。4 g 的终端手机可以多种多样，不再简单的局 限为“电话机”。4 g 通信本身是尖端通信技术，相对其他技术部署较容易，可以有效降低 运营的成本。 6 ) 网络具有非常高的灵活性。能够自适应地进行资源分配，支持下一代i n t e r n e t ( i p v 6 ) ， 而且是全t p 网络。 1 2 项目背景 本文完成的主要工作是浙江大学国际电磁科学院浙大分院无线通信合作研究中心和 上海无线通信研究中心的合作项目中的“欧盟第六框架m a g n e t 合作项目物理层技术 研究”的一部分。 该项目的主要工作内容如下： 欧盟第六框架m a g n e t ( m yp e r s o n a la d a 州v cg l o b a ln e t ) 项目，p p a n ( p r i v a t e p e r s o n a la r e a n e t 、o r k ) 场景下，m c s s ( m u l t i - c a r r i e r s p r e a ds p e c t m m ) 系统物理层h a r q ( h y b 瑚一a r q 混合自动重传) 技术研究与创新，选择h a r q 技术的一种基本方案或者算 法，进行性能仿真优化。深入技术研究，提出适合m a g n e t 项目p p a n 场景下m c s s 系统的最优的h a r q 技术方案，并且在s y s t e m c 平台上进行性能仿真验证等。 m a g n e t 是欧盟第六框架项目，主要目标是p n s ( p e r s o n a ln 咖o r k s ，个人网) ， p n 网络使用户不仅能够访问环绕用户周围的移动设备，而且能够访问远处的设备，并且 还能访问由其他用户提供的本地或者远处的设备的服务。该项目强调以用户为中心，个 性化，自适应，互操作的个人网以及互连的各种网络。为了提供这种服务，需要相应的 物理层空中接口的支持，m a g n e t 最初的目标是开发出一种灵活的，具有伸缩性的空中 接口，仅仅使用这一种空中接口提供高数据率( h d r ) 和低数据率( l d r ) 通信需求， 然而，很快便发现这个目标是很不现实的，因为高数据率通信和低数据率通信，对设备 复杂度以及功率消耗的要求是不一致的，所以开发出一种设备采用低数据率通信和高数 据率通信共存更合理，即低数据率和高数据率空中接口共存，分工合作的原则。在 m a g n e t 的、v p 3 工作组有关个域网( p a n ) 研究提出的各种空中接口中，m c s s ( m u i t i c a 而e rs p r e a ds p e c t n l 】1 1 ) 【7 】作为高数据率通信候选空中接口之一被提出，本文 的主要工作都围绕m c s s 系统进行。 本文的主要贡献有： 浙江大学硕十学位论文 1 ) 结合m c s s 系统，实现并分析了各种h a r q 方案，对复杂度，性能等进行了可行性 分析。 2 ) 充分结合项目背景，充分利用信道估计信息，实现h a r q 同信道估计信息的结合， 来大幅度提高系统性能，并降低了复杂度，并考虑相关性因素，提出了一种改进的最大 比合并算法。 3 ) 研究了m i m o 系统，特别是v - b l a s t 空时码技术，实现了h a r q 技术与m i m o o f d m 技术的结合。 4 ) 利用先进高效的s y s t e m c 仿真语言对分析的各种方案进行了性能的评估比较。 1 3 本文的主要内容和安排 第一章为绪论，先介绍了无线移动通信的发展历史和进一步发展的方向，然后介绍 了m a g n e t 项目的背景，以及本文的主要贡献。 第二章主要介绍了b 3 g ，4 g 的关键物理层技术o f d m 技术，信道编码和译码技术， 进而介绍了凿孔技术，这些技术点是m c 。s s 系统，以及h a r q 实现的关键，并简要介 绍了s y s t e m c 仿真语言。 第三章主要介绍了h a r q 技术，并对m a g n e t 项目中的高速数据通信的候选空中 接口m c - s s 进行了简单介绍。以及单输入单输出信道m c s s 系统下，各种h a r q 方案， 实现了部分冗余h a r q ，完全冗余h - a r q ，以及带有c h a s e 合并的第一类h a r q ，在 m c s s 系统下，给出了h a r q 系统结构，以及仿真性能曲线并进行了分析。 第四章主要介绍了m i m o ( 多输入多输出) 技术，侧重介绍了v b l a s t 空时码技术， o s i c 检测算法，实现了m i m o 与m c s s 系统的结合，充分调研，实现了h a r o 技术 同m i m 0 0 f d m 技术的结合，给出了性能分析。 第五章我对全文做了总结，以及后续研究工作的一些展望。 4 浙江大学硕 学位论文 2 。1o f d m 技术 第二章基本理论介绍 随着d s p ( 数字信号处理) 技术的迅速发展，正交频分复用( 0 f d mo n h o g o n a l 艉q u e n c yd i v i s i o nm u l 埴p l e x i n g ) 技术已经成为通信界科研人员关注的焦点，它是第四代移 动通信技术的基础，o f d m 作为一种可以有效对抗符号间干扰( i s i ，i m e r - s y m b o l i m e 疵r e n c e ) 的高速传输技术，引起人们的广泛关注。o f d m 技术不但在广播式数字音 频和视频领域得到广泛的应用，而且已经成为无线局域网的标准的一部分，o f d m 由于 其频谱利用率高，成本低等原因得到的关注度越来越高，随着人们对通信数据化，个人 化，宽带化和移动化需求的增加，o f d m 在无线接入领域将会获得越来越广泛的应用。 o f d m 技术【8 】是多载波调制( m c m ) 技术的一种，其概念于2 0 世纪5 0 6 0 年代提 出，美国军方在2 0 世纪6 0 年代建造了世界上第一个m c m 系统，随后出现了采用多个 子载波和频率重叠技术的o f d m 系统【9 】。 由于超3 g 或者第四代移动通信提供的是一种多媒体通信，它的传输速度可以达到 1 0 m b i t s 至2 0 m b i t s 是一种真正意义上的宽带通信技术，如果直接把速率这么高的数据 进行传输，它的时间周期将会非常短，将很容易引起频率选择性衰落，再加上多径传输， 这样不同信号问的延迟很容易大于信号的时间周期，从而将引起符号间干扰，要克服频 率选择性衰落和符号间干扰，一般来说，都采用均衡技术，但是高速数据传输的情况下， 这种传统的方法会变得分成复杂，而且效果并不是很好，而o f d m 是一个很好的选择。 在传统的并行数据传输系统中，整个频段被划分为n 个相互不交叠的子信道，每个 子信道传输独立的调制符号，然后再将n 个子信道进行频率复用，像这种方法避免了信 道频率谱重叠，表面看起来是有利于消除信道间干扰的，但是这样是不能有效利用宝贵 的频谱资源的，为了解决这种低效利用频谱资源的问题，上个世纪6 0 年代，一种新的思 想，即所谓的子信道相互覆盖的并行数据传输的f d m ，在每个子信道内以传输速率b 传 输信号，相邻子信道在频域的距离也是b ，即可对抗窄带脉冲以及多径衰落，充分利用的 频谱资源( 图2 1 ) ，避免使用高速均衡技术。 0 f d m 技术已经或正在获得一些应用。比如，在广播应用中欧洲的e t s i ( e u r o p e a i l t e l e c o m m u i l i c a t i o ns t a i l d a r dl n s t i m t e ，欧洲电信标准学会) 已经制定了采用o f d m 技术的 数字音频广播( d i 画协1a u d i ob r o a d c 嬲t i n g ，d v b ) 的标准，数字视频广播( d i g i t a l d e o 5 浙江人学硕士学位论文 b m a d c a s t i n g ，d v b ) 的标准也正在制定中，在宽带无线接入应用中，i e e e8 0 2 1 l a 及i e e e 8 0 2 1 6 都有基于o f d m 技术的建议，e t s i 的h i p c r l a ni i 也是一种基于0 f d m 技术的 标准；在数字蜂窝移动通信中应用中，o f d m 是目前研究的热点技术之一；在有线宽带 接入技术中，例如x d s l ( 各种高速数字用户线) 技术中，o f d m 的一种特殊形式一一 d m t ( d i s c r c t em u l t i t o n c ) 以获得广泛应用，等等。o f d m 在这些应用中已经表现出强 大的生命力，随着制约o f d m 应用的一些关键问题的解决，o f d m 在未来的通信应用 中将会扮演越来越重要的角色。 竺 传统的频分复用( f d m ) 多载波调制技术 正交频分复用( o f d m ) 多载波调制技术 图2 1o f d m 与传统的f d m 带宽利用率情况的对比 0 f d m 的原理就是把一个高速的数据流，通过串并变换，分成n 个低速的数据流， n 个低速的数据流再通过n 个频率正交的载波同时进行调制和传输。o f d m 的调制原理 见图2 2 。 7 c 3 ， 7 d 7 l ： p e j _ 萝一竺田参 互卜一 p j p，“4 = n岗、n 图2 2o f d m 系统基本模型框图 一个o f d m 符号内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都可以 受到正交幅度调制q a m 或者相移键控( p s k ) 符号的调制，那么，如果n 表示o f d m 系统中予信道的个数，正表示第一个子载波的载波频率，那么o f d m 符号的数学表达s ( t ) 6 浙江大学硕士学位论文 表示为： 印) _ r e 催吐删( 圳2 ) e x p 眦似+ 项) 】 ，+ r 5 ( f ) = r e d ：理f r ( f 一一7 1 2 ) e x p 【，2 万( 正+ f 7 ) ( f t ) 】 ，f + r lj = 0j s ( f ) = 0 ，t f + f 。 ( 2 一1 ) 其中，z ( i = o ，1 ，2 ，n 一1 ) 表示分配给每个子信道的数据符号，t 表示o f d m ；r 唧c 柳，e 唰柳肛 ：i ： 任， z 2 专7 e x p 一，2 ：r 事。一， 篓4e x p r ，2 石；。一，硪 。：。， = 净卜p p 字”，p = 哆 ”v 浙江大学硕士学位论文 和f f t ( 快速傅立叶变换) 方法，对于刚刚提过的o f d m 系统，当n 比较大的时候，表 达式( 2 2 ) 中，o f d m 复等效基带信号可以看成利用i d f t 方法来实现【1 0 】，这里给出 基本的等效过程。为了简化，我们这里先令( 2 - 2 ) 中的= o ，暂时忽略矩形函数，对 连续时间信号s ( t ) 进行取样，取样速度为1 ，然后令t = k t n ( k _ 0 ，1 ，n - 1 ) 代入 ( 2 2 ) 式可以得到： 唧：m r ) ：芝珥e x p ( ，兰警) ， o s 七剑一1( 2 渤 j = o v 通过数学表达式( 2 5 ) 可以看出来，& 等价为对吐进行i d f t ，我们在接收端同样得 到类似的表达式( 2 6 ) ，对接收到的& 进行d f t 变换，即可得到吐。 一：窆以e x p ( _ ，等) ， - 1( 2 - 6 ) t = 0 y 借助先进的d s p 技术，我们可以利用n 点f f t 或者i f f t 运算来代替d f t 或者i d f t 运 算，可以比较明显的降低运算复杂度。 o f d m 可以有效的对抗多径时延扩展的影响，因为可以将输入的高速串行数据流串 并变换转变成n 个低速的子数据流，每个子流的周期扩大为原始数据的n 倍，从而可以 有效对抗时延扩展的影响。为了最大限度的提高对抗i s i 的能力，可以在o f d m 符号间 插入保护间隔，但简单的插入保护间隔，因为破坏了子载波之间的正交性，会产生载波 间干扰，采用循环前缀的保护间隔技术，可以有效对抗载波间干扰。 这里要顺便指出，正交频分复用子信道问的间隔对系统的性能影响很大。子信道问 隔越大，那么由于各种因素造成的子信道问的干扰越小，但同时系统的频谱效率也越低， 而且由于子信道带宽的加大，系统抗击频率选择性衰落的能力也下降；反之，为提高系 统的频谱效率而缩小子信道间的间隔，必然使系统的子载波间的干扰加大：所以往往我 们在确定系统参数的时候，要在信道间隔和频谱效率之间作一个折中。f f t 的点数和信 道带宽决定了o f d m 子信道间的间隔，确定子信道间隔的一般原则是，保证o f d m 系 统的良好的抗击频率选择性衰落和满足系统频谱利用率的前提下，尽可能加大子载波间 的间隔。 2 2 信道编码和译码 信道编码【l l 】提供了对于信息传输过程中发生差错的控制能力，这种控制的能力 8 浙江人学硕上学位论文 主要由编码的纠错能力和检错能力表示，从信道编码定理的公式出发，可知减小差错概 率应增大码长 ，或增大可靠性函数f ( 励，主要包含一下三种方案： 1 ) 增大信道容量c ：扩展带宽、加大功率、降低噪声： 2 ) 减小码率r ： 3 ) 增加码长n 。 我们可以通过提高冗余度，或者随机化来提高纠错能力。这里我们指的冗余度就是 指在信息流中插入冗余比特，这些冗余比特与信息比特之间存在着特定的相关性。传输冗 余比特必然要使用冗余资源，资源可以是：时间，频带，功率，设备复杂度等。而差错 随机化就是设法将集中的噪声于扰分摊开来。噪声均化的方法主要有：增加码长n ，卷积， 交织。 在信道编码和信道译码当中经常提到两个概念最佳译码和最大似然译码，已知接收 到的码字r ，找出可能性最大的发码c 作为译码估值的译码方法称为最佳译码，也称为最 大后验概率译码( m a p ，m a x i m u ma p o s t e r i o r i ) ，如式( 2 7 ) 朋缸p ( c f r )( 2 7 ) 最大后验概率译码是一种通过经验与归纳由接收的码推测发码的方法，是最优的译码算 法。但实际信道模型如b s c 模型或d m c 模型只告诉我们前向( 由发到收) 转移概率即先验 概率。相反，在已知r 的条件下使先验概率最大的译码算法叫最大似然译码( m l d m a x i m u l i k e l i h o o dd e c o d i n g ) ， 朋缸p ( ，q ) ( 2 8 ) 我们利用贝叶斯公式可以建立( 2 - 9 ) 地，) = 掣h ，2 ，( 2 _ 9 ) 其中，尸( q ) 、j p ( ，) 分别是发码c 、收码，的概率， p ( ，q ) 是先验概率，j p ( c j ，) 是后验概率。 假如，码集中的2 个码字同概率发送，满足p ( c ) = 1 2 ，而尸( ，) 对于任何r 都有相同的 值，满足p ( r ) = 1 2 ”，则p ( q ，) 最大等效于p ( ，c ，) 的最大。在这样的前提下最大后验 概率译码就等效于最大先验概率译码，也可以说最佳译码等效于最大似然译码。通过理 论上分析，我们通过信源编码算法的改进，以及扰码、交织的采用，可使发码c ，等概率 9 浙江大学硕士学位论文 化，然后令信道对称均衡，而使接收的收码r 也等概化，从而可用最大似然译码替代最 佳译码。 卷积码【1 2 】是一个有限记忆系统，当信息序列切割成长度为k 的一个个分组后，此 时分组码单独对各分组编码，而卷积码不仅根据当前时刻的分组，而且还要根据本时刻 以前的m 个分组共同来决定编码。由于编码过程受m + 1 个信息分组的制约，因此称m + 1 为约束长度( c o n s t r a i n tl e n g t h ) ，也有的人直接把m 称为约束长度。约束长度是卷积 码的一个基本参数，我们常用( n ，k ，m ) 来表示某一码长n ，信息位k ，约束长度m + 1 的卷积码。 卷积码译码可分代数译码和概率译码，代数译码一般来说仅仅用于简单的卷积码。 其优点是译码电路简单，时延也很小，比较适合高速译码。其不足之处在于：适合代数 译码的卷积码的编码增益一般都不大，而且只适合硬判决译码，因为导致现代通信使用 代数译码的场合较少。我们知道，卷积码本质上其实是一个有限状态机，它的码字是前 后相关的，对于编码器编出的任何码字序列，我们在网格图上就一定可以找到一条连续 的路径与之对应，这种连续性正是卷积码码字前后相关的体现。可是在译码端，如果一 旦在传输和存储过程中出现差错，输入到译码器的接收码字流在网格图上就找不出一条 对应的连续路径，而只能有若干不确定、断续的路径供作译码参考，但是从译码器译出 来的码字序列也必须与编码器一样，也是对应一条连续路径，否则肯定是译码出了差错。 在编码理论发展进程中出现了多种以序列为基础的译码方法，如序列译码算法，堆栈算 法等，这些都不是最佳译码或最大似然译码。当前最实用的卷积码译码算法是维特比( v b ) 算法( v i t e r b i ) 。小村( 0 i i l u r a ) 两年后指出：维特比算法等价于在一个加权图上求取最短 路径。福尼( f o r n e y ) 最终证明了维特比算法实质上就是卷积码的最大似然译码。由于最 优的特性和相对适中的复杂度的特点，维特比算法在m 1 0 的卷积码译码中己成为最普遍 采用的算法。 在m a g n e t 项目中，m c s s 系统作为高速数据率( h d r ) 通信的候选空中接口之一，系 统的信道编码模块以及信道译码模块分别采用了卷积编码和维特比译码算法( v a ， v i t e r b ia 1 9 0 r i t h m ) ，m c _ s s 系统提供了几种卷积编码结构见表2 1 【7 】 表2 1m c s s 系统卷积编码器结构 码类型寄存器个数 g d l ( 八进制)g 口2 ( 八进制) 应用 142 33 3g s m 26 1 3 3 1 7 1n a s a u m t s & 387 5 35 6 l f s 一9 5 f o 。耵d 1 0 浙江大学硕士学位论文 表2 1 中方案3 对应的卷积码编码器结构最有可能成为m a g n e t 项目m c s s 系统的候 选编码器结构，从表中可以看出来，方案三为寄存器个数为8 的1 3 码率卷积编码器， 生成多项式为( 7 5 3 ，5 6 1 ) 都是以八进制的形式表示的。 2 3 凿孔技术 以d ( 2 。) 指数上升，因为在网格图中进入每一状态的分支可有2 个，执行维特比算法时 每一个状态必须计算2 2 个分支长度，从中找出最佳路径，因此( n ，k ) 卷积码的k 不能大， ( p u i l c t 嘣n g ) 。凿孔是按着周期进行的，这样产生的凿孔卷积码也就成了一个周期性时变 个周期里，p 个信息比特经过( n ，1 ) 卷积编码将会得到p 个码组或印个编码比特。 口吲 c z - 其中的元素为乃 o ，l ，当= o 时，表示对应的比特被凿掉，即不进行传输，而相反， = 1 ，表示不进行凿孔，直接通过，从而得到码率为( 2 1 1 ) 的卷积码 疋= ：o ，( 疗一1 ) p 一1 ( 2 - 1 1 ) n d n 一 “ 2 4s y s t e m c 仿真语言 浙江人学硕士学位论文 s y s t e m c 【1 4 】在1 9 9 9 年正式推出，并由o s c i ( o p e ns y s t e m ci 血i a t i v e ) 负责支持、 维护和发展。s y s t e m c 是建立c + + 基础上的开放的系统级设计语言，实际上s y s t e m c 由 一系列用来进行系统描述的c + + 类构成，同时包含了一个用来对系统行为进行模拟的仿 真核，现在的版本是2 0 ，它将软件算法与硬件实现很好的结合在一起，提高了整个系统 设计的效率和正确性。 采用s y s t e m c 仿真语言搭建仿真系统，有以下优点： 1 ) 程序执行的高效性。s y s t e i i l c 是一个c + + 库，也是一种使设计者可以有效地设计出一 个软件算法的准确循环模型，c c + 十语言本身的特点决定了s y s t e m c 编写的仿真程序，执 行效率高，可节省大量的仿真时间。 2 ) 统一的语言书写。使用s y s t e l i l c 设计系统，整个设计都用一种语言设计系统，降低了 对设计人员的要求，减少了语言转换时所造成的错误，使得系统级设计和r t l 级( 寄存 器传输级) 设计有机的结合起来。 2 5 本章小结 本章提到了b 3 g 4 g 的关键物理层技术o f d m 技术，并简单介绍了它的产生历史背 景及发展情况，给出了o f d m 的系统模型，工作原理以及数学表达，利用现代d s p 技术 的f f t ，i f f t 算法使o f d m 技术的应用成为可能，同时列出了o f d m 系统的主要优点， 如有效对抗多径而导致的符号问干扰等。在实际的无线通信系统中，信号不可避免的要 发生差错，信道编码和译码技术，是差错控制的一种有效方式，这里重点突出的介绍了 减少信道差错率的方法，概念性的介绍了最优译码算法和最大似然译码算法，同时给出 了现在比较流行的编码技术一一卷积编码，以及对应的维特比最大似然译码算法，进而 介绍了凿孔技术，凿孔技术是一种降低译码复杂度，并能提高码率的一种有效手段，这 些技术点是m c s s 系统，以及h a r q 实现的关键，同时我简要介绍了s y s t e m c 仿真语 言，给出了语言的简单产生过程以及在仿真中优点。 浙江人学硕士学位论文 3 。1m c s s 系统 第三章s i s o 系统h a r q 技术 m c s s ( m u l t i c a r r i e rs p r e a ds p e c 饥n ) 系统是一种基于0 f d m 的在频域进行扩展 的空中接口，扩频技术这里面被采用来充分利用分集和增加抗干扰的能力，而非用来区 分不同用户。m a g n e t 中m c s s 系统的整体结构【7 】如图3 1 所示： i 匝h 趣卜匝h 堕 鬻 t 多径衰落信道l 匦囱 广一圆一山回塞占 图3 1m c s s 收发机功能框图 m c s s 系统大致工作过程如下：首先，从m a c 层接收到的信息比特先进行信道编码， 凿孔，接着进行交织，映射模块将一定数量的编码后比特映射为复数调制符号，扩频和 多码传输模块对输入的调制符号进行扩频并产生多码信号，然后作为保护带的空载波加 到o f d m 帧中，然后执行i f f t 操作，并在0 f d m 调制后的模块前加入作为保护间隔的 循环前缀。 其中，各模块的基本功能如下： 信道编码模块：对从m a c 层接收到的比特信息进行信道编码，在m a g n e t 项目中， m c s s 系统采用卷积码和1 、l r b o 码信道编码方式。 凿孔模块：对信道编码模块的输出数据根据凿孔样式进行凿孔，降低块的大小，产生需 要的2 ，3 ，3 4 码率。 信道交织模块：对凿孔后的块进行交织，防止突发信道衰落对信息的影响。 映射模块：将一定数量的编码比特映射为一个复数调制符号，像q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m 。 扩频与多码模块：对输入调制符号进行扩频并产生多码信号。 o f d m 成帧模块；作为保护带的空载波加到o f d m 帧中，构成完整的0 f d m 帧。 1 3 浙江大学硕上学位论文 0 f d m 调制模块：进行i f f t 操作，并在o f d m 调制中加入循环前缀，一个完整的o f d m 符号的结构见图3 2 阚 日t kp 图3 2 0 f d m 符号结构 导频模块：为接收机进行信道估计提供数据。 接收机模块进行与发射机相反的操作，并且加入了信道估计模块和均衡模块。该m c s s 系统的物理层段格式见图3 3 ，由图可以看出了，现在的m c s s 系统，一个物理层段可 以包含至少一个p r e a l l l b l e ，至少一个o f d m 符号，最多5 个o f d m 符号。 p i c b l co f d m o f d mo f d mo f d mo f d m 图3 3m c s s 系统物理层段格式 m c s s 系统作为提供高数据率( h d r ) 通信的候选空中接口，必然要提供以下各种 服务，范围包括：文本，语音，视频流，文件共享以及多媒体，数据率要求几十k b d s 到几百m b p s ，然而无线信道的多径和时变性导致信号衰落的特点，常常带来较高的误码 率。下一代无线通信系统致力于提供更高质量的高速无线多媒体服务和数据业务，其研 究正日益受到人们的关注，各种增强技术被提出来，以增加系统的性能，h a r o 就是增 强技术中的一种。研究h a r q 技术与现存的m c s s 系统之间的整合，以增加m c s s 系 统的性能，是改善系统性能，满足m a g n e t 项目应用需要的一个途径。 m a g n e t 项目中，s i s o 信道的m c s s 系统详细的参数见表3 1 ，以下的工作都是 基于m c s s 系统，服从表中参数的约束。 3 2h - a r q 技术介绍 日| j 的移动通信业务的话音传输需要实时性，所以没有采用a r q 技术，但是在3 g ， b 3 g 揖g 当中，将要支持除语音通信以外的其他各种业务，比如数据业务，多媒体业务。 话音和图像有着严格的时延限制条件，然而数据业务追求的是很低的分组错误率和并非 1 4 浙江大学硕士学位论文 严格的时延限制，因此可以有效的进行a r q 差错控制，来满足不同的业务对q o s ( 服务 质量) 的要求。数据通信最初发展于有线网络，它通常要求高质量的传输，并且需要占 用带宽。对于一个有线网络来说，可靠性由重传得以保证，也就是说在先前传输的分组 表3 1 单输入单输出m c s s 系统参数 参数4 0 m h z单位 载波频率 5 2g h z 速度( m s )o 8 3 3n 1 s 速度( k m ) 3k m 1 1 多普勒频移 1 4 4 4 4h z 带宽 4 0m h z 快速傅立叶变换( f f t ) 2 5 6 点 总子载波数 2 5 6 个 作为保护带的子载波数 6 4 个 子载波间隔 1 5 6 2 5k h z 每个数据符号取样次数 2 5 6 次 扩频因子 8 保护问隔1 0 多径成分 1 1 条 出错的情况下重新传输该分组，即有自动重传请求a r q 机制。考虑相同的问题在无线传 输环境中，因为无线信道是一种变参信道，它所处的环境非常复杂，对于接收端来说， 不但存在由于地理环境引起的衰落和阴影，以及移动带来的多普勒频移，而且可能受到 开放式信道结构带来的各种干扰和噪声的影响，这些衰落干扰通常造成的误码有随机差 错和突发的差错，一般是以多径衰落和长突发差错为主的，将会很严重的影响通信的质 量，所以无线信道的条件十分恶劣，将要传输的数据分组需要加以保护，以对抗信道噪 声和其他用户产生的干扰，这种保护通常是采用前向差错编码f e c 技术，即在分组中包 含附加传输比特。 3 2 1 a r q 协议 停止等待a r q ( s w ，s t o p 趾d w 础) 是最简单的一种a r