（通信与信息系统专业论文）turbo编码调制及新型自适应传输技术研究.pdf

摘要 t u r b o 编码调制及新型自适应传输技术研究 摘要 本文涉及无线信道中t u r b o 码的理论和应用研究 重点包括t u r b o 码高速译码算法创新与实 现 1 b o 编码调制抗衰落性能改进以及t u r b o 编码调制在自适应传输中的分析及应用 t l l r b o 码 又称为并行级联卷积码 是1 9 9 3 年被提出的一类具有逼近s h a n n o n 容量限性能的 信道纠错编码方式 将t u r b o 码和高阶调制结合有利于提高m b o 码的频谱效率 而在自适应系 统中 发射机根据接收机反馈的信道状态估值或重传指示信号动态调整t u f b o 编码调制的编码速 率 调制模式等参数 可以显著改善系统的时变信道容量利用率 本文首先总结回顾了t u r b o 码 t u r b o 编码调制以及白适应传输的历史发展和技术现状 指 出了本文的研究任务和研究意义 并介绍本文的框架结构 t u r b o 码技术成功应用于移动通信系统中的关键在于减小译码复杂性和降低译码延时 通过 对传统t u r b o 码软输入软输出 s i s o 译码算法的分析 本文指出了传统算法在高速实现方面存 在的不足 随后提出了一种可成倍提高译码速度的并行滑动窗对数最大后验概率译码算法 并给 出了基于该算法的高速t 1 l r b o 码译码器硬件实现结构 计算机仿真和实际测试表明 该译码器完 全满足新一代移动通信系统对支持高速数据业务提出的要求 同时具有良好的可扩展性 将t u f b o 码与高效调制结合是提高t u r b o 码频谱效率的有效方法 本文给出了三种典型的 t i l r b o 编码调制 t u c m 的编译码结构 推导了t u c m 的误码率联合界 从理论上分析了决定 t u c m 衰落信道下性能的主要因素 在此基础上提出了一种结合比特交织和调制分集的t u c m 机 制 该机制能够有效提高系统的分集阶数和乘积距离 从而显著改善t u c m 在衰落信道下的性能 在无线信道环境下要获取最大的信道利用率 通信系统应具各自适应传输能力 本文的后半 部分以提高衰落信道下系统容量为目的 重点研究了n c m 在自适应传输系统中的应用 自适应编码调制是实现物理层自适应传输的关键技术 本文对自适应t u r b o 编码调制 a t u c m 系统作了深入分析 给出了详细的分析设计方法 包括t u c m 模式的选择 衰落区 域划分与边界确定 信道估算以及频谱效率计算等 另一方面 推导出了自适应编码调制系统的 止速率边界 从理论上研究了反馈延时和信道状态估算误差对a t u c m 性能的影响 最后 通 过设计实例对基于码元和码块自适应的a t u c m 系统的频谱效率和误码率性能做出全面评估 仿 真显示 a t u c m 系统可获得距s h a n n o n 容量限3 d b 的性能 这比自适应网格编码调制 a t c m 系统要好2 d b 以上 同时系统的误码性能也得到较大改善 自动重复请求 a r q 是新一代移动通信系统采用的一种重要的纠错控制技术 本文利用 a r q 本身具备的信道自适应能力 提出了一种新型自适应传输机制一自适应1 i l r b o 编码调制 混 合自动重复请求 a t u c m h a r q 随后从选代终止准则 重传判决策略 重传协议等方面对 a t u c m i i a r q 作了系统研究 借助状态图推导出了a t u c m h a r q 的通过率和平均传输延时的 理论计算公式 分析了t u r b o 编码调制模式 t u r b o 码删截周期对a t u c m h a r q 性能的影响 大量计算机仿真结果表明 a t u c m h a r q 在通过率 误码率和误帧率等方面全面优于传统的网 上海交通大学博士学位论文 格编码 混合自动重复请求 t c m j h a r q 机制 最后总结全文 指出课题中有待进一步深入研究的方面 并以个人观点对该领域的研究发展 趋势作出预测 关键词 t u r b o 码 最大后验概率算法 误码率联合界 t u r b o 编码调制 自适应编 码调制 混合自动重复请求 a b s t r a c t s t u d yo n t u r b oc o d e dm o d u l a t i o na n dn e w a d a p t i v e t r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e s a b s t r a c t t h i st h e s i si n v o l v e st h et h e o r ya n d a p p l i c a t i o ns t u d i e so ft u r b oc o d e si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s t h ea u t h o rc o n c e n t l a t e so nt h r e et o p i c s i n n o v a f t o na n di m p l e m e n t a t i o no f t h et u r b od e c o d i n g a l g o r i t h m p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to ft u r b oc o d e dm o d u l a t i o nf r u c m i nf a d i n gc h a n n e l sa n dt h e a p p l i c a t i o no f l k c mt ow i r e l e s sa d a p t i v et r a n s m i s s i o ns y s t e m t u r b oc o d e w h i c hi sak i n do ff o r w a t de r r o rc o r r e c t i o nc o d ei n t r o d u c e db yb e r r o ui n1 9 9 3 h a s a c h i e v e da ne r r o rp e r f o r m a n c ec l o s et ot h es h a n n o nl i m i tt h r o u g hd e c o d i n gi t e r a t i o n sa n db yu s i n ga l a r g ei n t e r l e a v e rt op r o v i d es u f f i c i e n tr a n d o m n e s s t h ec o m b i n i n go f p u r b oc o d e sa n dh i g hl e v e l m o d u l a t i o nc a i li m p r o v et h es p e c t r u me f f i c i e n c yo ft u r b oc o d e s i na d a p t i v et r a n s m i s s i o ns y s t e m n a n s m i t t e ra d j u s t st h ep a r a m e t e r so fc o d e dm e d u l a t i o n s u c ha sc o d er a t e m o d u l a l l o i lm o d ea n ds i g n a l p o w e r a c e o r d i n 培t ot h ec h a n n e ls t a t ev a l u e se s t i m a t e db yt h er e c e i v e r a p p l y i n gt u r b oc o d e d m o d u l a t i o nt ot h ea d a p t i v et r a n s m i s s i o ns c h e m ec a l le f f e c t i v e l yi n c r e a s et h ec a p a c i t yo ft h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nt i m ev a r i a b l ec h a n n e l t h ea u t h o rb e g i n st h et h e s i sw i t ha no v e r a l li n t r o d u c t i o no ft w b oc o d e sa n dt h em a x i m u ma p o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y m a p s o f ti n p u ts o f to u t p u t s i s o t u r b od e c o d i n ga l g o r i t h m t w od r a w b a c k so f t h em a p a l g o r i t h ma r ei t sh i 曲c o m p l e x i t ya n dt h el o n gd e c o d i n gd e l a y s e v e r a ls i m p l i f i e df o r m so f t h e m a p a l g o r i t h m s u c ha sl o g m a rm a x l o g m a ra t ed e s c r i b e d t h e nan e wh i g hr a t es i s od e c o d i n g a l g o t i t h mc a l l e dp a r a l l e ls l i d i n gw i n d o w sl o g a r i t h mm a x i m u map o s t e r i o r ip r o b a b i l i t ya l g o r i t h m f p s w l o g m a p i sp r e s e n t e d t h ed e c o d i n gd e l a yo ft h i sa l g o r i t h mi sr e d u c e dd r a m a t i c a l l yw i t ht h e i n c r e m e n to f t h en u m b e r o f p a r a l e ls l i d i n gw i n d o w s t h ef p g ai m p l e m e n t a t i o ns t r u c t u r eo f w c d m a h i g hr a t et u r b od e c o d e rb a s e do nt h ep s w l o g m a pa l g o r i t h mi sa l s og i v e n i m p r o v i n gt h es p e c t r u me f f i c i e n c yo ft u r b oc o d e si st h ei m p o r t a n ts t e pt oa p p l yt u r b oc o d e st oa p r a c t i c a lw i r e l e s sc o m m a n i c a t i o ns y s t e m t h ec o d i n ga n dd e c o d i n gs t r u c t u r e so fs e v e r a lc l a s s i c a l t i l c ms c h e m e sa r ci n v e s t i g a t e d u i l i o nb o u n d sm e t h o di su s e dt 0e v a l u a t et h eb i te r r o rr a t er b e r p e r f o r m a n c eo ft h et u c ms y s t e m g u i d e db yt h et h e o r ya n a l y s e s t h ea u t h o rp r o p o s e san e wc o d e d m o d u l a t i o ns c h e m e w h i c hc o m b i n e st h et e c h n i q u e so f b i ti n t e r l e a v i n g m o d u l a t i o nd i v e r s i t ya n dt u c m e f f i c i e n t l y t h ep e r f o r m a n c eo ft h i sn e ws c h e m ei sa n a l y z e da n das i m p l em e t h o df o ro p t i m i z i n gt h e c o n s t e l l a t i o nr o t a t i o na n g l ei sp r e s e n t e d t h er e s u l t so fc o m p u t e rs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ep r o p o s e d s c h e m ec a no b t a i nm o r et h a n2 5 d bc o d i n gg a i n so v e rc o n v e n t i o n a lt u c ms c h e m e si nr a y l e i g hf a d i n g c h a n n e la tt h ec o s to f l i t t l ec o m p l e x i t yi n c r e m e n t t h el a s tp a r to f t h et h e s i sd e a l sw i t ht h ea p p l i c a t i o no f t u c mt oa d a p t i v et r a n s m i s s i o ns y s t e m s a d a p t i v ec o d e dm e 血l a t i o ni so n eo f t h ek e yt e c h n i q u e so f a d a p t i v et r a n s m i s s i o ni nf u t u r em o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h ea u t h o ra n a l y z e st h ea d a p t i v et u r b oc o d e dm o d u l a t i o n a t u c m i nd e t a i l t h ea d a p t i v ep r i n c i p l eo fa t u c mi s f i r s t l yd e s c r i b e d a n dt h e nt h ed e s i g nc r i t e r i o n so fa r u c m i n c l u d i n gt h es e l e c t i o no ft u c mm o d e s t h ed i v i s i o no ft h ef a d i n gr e g i o na n dt h ee s t i m a t i o no ft h e 1 1 1 上海交通大学博士学位论文 c h a n n e ls t a t ei n f o r m a f i o n a r eg i v e i l t h ee f f e c t so ft r a n s m i s s i o nd e l a ya n dc h a n n e le s t i m a t e de r r o ro n a t u c mp e r f o r m a n c ea r es t u d i e di nv i r t u eo f t h ec u t o f f r a t eb o u n do f a d a p t i v es y s t e m f i n a l l y e x t e n s i v e c o m p u t e rs i m u l a t i o ni sp e r f o r m e d t oe v a l u a t et h es p e c t r u me f f i c i e n ta n db e r p e r f o r m a n c eo f a t u c m an e wb a n d w i d t he f f i c i e n tt y p ei ih v b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t h a r q s c h e m ee m p l o y i n g a t u c mi sp r o p o s e d t l l i ss c h e m ei n t e g r a t e st h ep o w e re f f i c i e n c yo ft u r b oc o d e sw i 廿lt h eb a n d w i d t h e f f i c i e n c yo fh i g h l e v e lm o d u l a t i o nt og i v ee f f i c i e n tf e c t a r qa d a p t i v es y s t e md e s i g n s t h ea u t h o r d e s i g n st h er e t r a n s m i s f i o np r o t o c o l a n da n a l y z e st h et h r o u g h p u ta n dt r a n s m i s s i o nd e l a yp e r f o r m a n c e b yu s i n gt h es t a t eg r a p hm e t h o d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t h a r qs c h e m eb a s e do na t u c mg i v e s s u b s t a n t i a lt h r o u g h p u tp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to v e rc o n v e n t i o n a lt r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n t c m h a r qs c h e m eo v e rf a d i n gc h a n n e l s a tt h ee n do ft h et h e s i s a 蜥e fs u m m a r yo ft h i st h e s i si sm a d e t h es t u d yf x u i t so ft h ea u t h o r s w o r ka n ds e v e r a lf u r t h e rs t u d i e da s p e c t sa r ep o i n t e do u ta tt h i sp a r t al a t e s tt r e n di nt h er e s e a r c ha r e ai s p r e d i c t e d k e yw o r d s t u r b oc o d e s m a x i m u map o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y m a y a l g o r i t h m t u r b oc o d e d m o d u l a t i o n a d a p t i v ec o d e dm o d u l a t i o n h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t i v 缩略语表 3 g p p a c m a p p a r q a s i c a t c m a w g n b e r b p s k d r a m e b n o f e c f e r f p g a u a r q i i d i o w e f l l r l o g m p l a m a p o w e f p d f p c c c p c t c m p e p p s w l o g m a p q p s k q a m r c p c r c p t r s c s i s o 缩略语表 l i s to fa b b r e v i a t i o n s 第三代合作项目 自适应编码调制 后验概率 自动重复请求 专用集成电路 自适应网格编码调制 加性高斯白噪声 比特错误率 误码率 二进制相移键控 双端日随机访问存储器 比特信噪比 前向纠错 帧错误牢 误帧率 现场可编程门阵列 混合自动重复请求 独立同分布 输入输出权重枚举函数 对数似然比 对数最大后验概率 序列维特比算法 最大后验概率 输出权重枚举函数 概率密度函数 并行级联卷积码 并行级联网格编码调制 成对错误概率 并行滑动窗对数最大后验概率 正交相移键控 正交幅度调制 速率可兼容删截卷积码 速率可兼容删截t u r b o 码 递归系统卷积码 软输入软输出 t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t a d a p t i v ec o d e dm o d u l a t i o n ap o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y a u t or e p e a tr e q u e s t a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t a d a p t i v et h l l i sc o d e dm o d u l a t i o n a d d i r i v eg a u s s i a nw h i t en o i s e b i te r r o rr a t i o b i n a r yp h a s es h i rk e y i n g d u a lp o r t sr a n d o ma c c e s sm e m o r y e n e r g yo f b i ts i g n a la n dn o i s er a t i o f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n f r a m ee r r o rr a t i o f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y h y b r i da u t or e p e a tr e q u e s t i n d e p e n d e n ta n di d e n t i c a l l yd i s t r i b u t e d i n p u to u t p u tw e i g h te n u m e r a t ef u n c t i o n l o gl i k e l i h o o dr a t i o l o g a r i t h m i cm a x i m u m a p o s t e r i o r i l i s tv i t e r b ia l g o r i t h m m a x i m u map o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y o u t p u tw e i g h te n u m e r a t ef u n c t i o n p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n p a m l l e lc o n c a t e n a t e dc o n v o l u f i o n a lc o d e p a r a l l e lc o n c a t c n a t e dt r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n p a i r w i s ee n o rp m b a b i l i t y p a r a l l e ls l i d ew i n d o w sl o g a r i t h m i cm a x i m u m ap o s t e r i o f i q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g q 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 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 lc o d e r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e dt b oc o d e s r e c u r s i v es y s t e m a t i cc o n v o l u t i o n a lc o d e s o f ti n p u ts o f to u t p u t 上海交通大学博士学位论文 s n r 信噪比 s o v a 软输出维特比算法 s w l o g m a p 滑动窗对数最大后验概率 t c m t t c m t h c m u e p w c d m a 网格编码调制 t u r b o 网格编码调制 t u r b o 编码调制 不均等误码保护 宽带码分多址 s i g n a ln o i s er a t i o s o f to u t p u tv i t e r b ia l g o r i t h m s l i d ew i n d o w sl o g a r i t h m i cm a x i m u ma p o s t e r i o r i t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n t u r b ot r e n i sc o d e dm o d u l a t i o n t u r b oc o d e dm o d u l a t i o n u n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版 允许论文被查阅和借阅 本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密囱 在三年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密口 请在以上方框内打 学位论文作者签名 痞 垣 指导教师签名 寥轰良 日期 砌3 年 月弓日曰期也即3 年j 月3 日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 蓐直 日期 助 弓年j 月3 臼 上海交通大学学位论文答辩决议书 申请者李炬0 所在学科 专业 0通信与信息系统 论文题目u r b o 编码调制及新型自适应传输技术研究 答辩日期i i2 0 0 2 1 2 1 li i答辩地点 上海交通大学包兆龙图书馆西 厅 答辩委员会成员 所在工作单位 备注 j 签名 主席 郑宝玉0 教授 i 南京邮电大学8无 委员 陈惠民8 教授 j 毒蘸大学通信与信息工程 无 委员 葛建华8 教授f 廛耄晨子科技大学通信工 无 委员 j 朱杰 j 教授i 上海交通大学电子工程系 无 委员0 王豪行 j 教授f 上海交通大学电子工程系 无 委员 j 黎滨洪f f 教授0 上海交通大学电子工程系8 无 委员0 陈健i i 教授0 上海交通大学电子工程系0 无 评语和决议 论文在j 粲入分析t u r b o 码钡域圄内外最新研究成果柏基础上 重点研究了高速s i s o 译码算法及其实现结构 研究了t u r b o 码高教调制及其在自适应传输中韵应用 提出了改进方法和创新方案 这些研究列于推动t u r b o 码在移动通信系统中的应用具 有重要理论意义和宴用价值 论文在以下方面做出创新性的研究结果 1 提出一种能够有教提高译码速度的并行s i s o 算法 j f 用硬件成功赛现了基于该算法的w c d m a 高速t u r b o 译码器 2 导出了t t l r b o 码编码调制的理论性能边界 并将比特交织 和信号空间分集应用到t u r b o 码编码调制中 有教地改善了t u r b o 码编码调制系统的分集性能 提高了抗衰落能力 3 提出一 种自适应t u r b o 码编码调制 a t u c m 机制及其设计方洼 推导了a t u c m 的理论截止速率边界 从实际应用角度分析丁传输 州延和信道估弹误差对a t u c m 性能的影响 并讨论了该技术在a t u c m h a r q 中的应用 仿真结果表明该系统在通过率 谋 码率和谩帧率等万面均优于t c m h a r q 论立理沧分析正确 计博和实验数据司靠 结构合理 论述清楚 表明了作者具有扎实的基础理 仑和系统深入的专门知 识 以及根强的独立开展科学研究工作的能力 答辩过程中陈述清楚 回警问题正确 菩辩委员会经讨论一致认为 李焐剧学 昀论支己迭l q 博十学位水平 经无 0 名投票 一鹭通过博士学位论文善辩 井建随校学位评定委员会授予美工学博士学位 表决结果 一致通过 答辩委员会主席互卅 暂死b 签名 答辩委员会主护r w 签名 r 1 以彬 年 2 月r 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近十年来 移动通信系统得到了飞速发展 移动通信提供的服务也从单一的话音业务 向包 括语音 数据 图像等在内的多媒体业务扩展 现有的第二代移动通信系统 女i j g s m 由于只具 备单一的业务传输体制以及较低的数据传输率 已经无法适应这种发展要求 以大容量 高数据 率和能够承载多媒体业务为特点的第三代移动通信系统呼之欲出 但与此同时 对宽带高速无线 业务的不断需求和紧缺的可用无线带宽之间的矛盾也日益凸显出来 因此 未来移动通信系统的 发展方向必然是在保证传输质量的条件下尽可能提高系统的频谱利用率 以便能在受限带宽内传 输高速业务 要实现这一目标 采用新型数据传输方法是必然途径 其中高效编码调制技术和自 适应传输技术直接影响到通信系统的传输质量和系统容量 对提高整个通信系统性能具有举足轻 重的作用 本文将主要针对这两种技术以及它们之间的有机结合展开论述 1 2 数字通信系统构成 图1 1 为基本数字通信系统的框图 信息源产生的可以是模拟信号或数字信号 对于模拟信号需要先经过采样和量化后再通过数 字系统传输 信源编码用于移除信息源中的冗余信息 使得信息能以最精简的方式发送 信道编 码又称为前向纠错 f e c 编码 是一种重要的纠错控制方法 实际上图1 1 代表的是单向通信 系统 即信号传输方向是从发送端到接收端严格前向的 如果系统存在反向信道 使得接收端可 以发送某些信息到接收端 则称这种系统为双向通信系统 双向系统中还存在有另外一种重要的 纠错控制方法一自动重复请求 a r q a r q 能够和f e c 结合实现自适应传输以有效提高系统 容量 关于这点我们在后续章节有详细的讨论 信道编码按照一定的方式为信源编码输出的信息 序列加上额外校验信息 与信息源中包含的冗余信息不同的是 这些校验信息是可控的 用于改 善接收序列的可靠性 提高系统性能 数字调制器主要有两种功能 一方面可以将二迸制编码序 列映射为多进制码元序列 另一方面将码元序列转换为适宜于物理信道传输的连续时间波形 典 型的传输信道包括有线信道 光纤信道 无线电磁信道 水声信道以及存储记录信道等 无论何 种信道 其上传输的信号波形都会受到一定程度的噪声 如温度噪声 空间噪声等 干扰 在接 收端 数字解调器对失真的信号波形进行处理 生成发送编码序列的估算值 并把估算序列送给 信道译码器 信道译码器利用校验信息检查信息序列中的错误并将其纠正过来 最后 源信道译 码器接收信道译码信息序列并试图重构出原始的信息源 本文研究的重点集中在信道编 译码模块和调制 解调模块以及与之相关的频谱高效自适应传 输技术的优化设计分析上 上海交通大学博士学位论文 编 码 速 蛊 图1 1 数字通信系统框图 f i g u r e1 1b l o c kd i a g r a mo f t h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m e 棚 d b 图1 2t u r b o 码与其他信道编码的性能比较嘲 f i g u r e1 2p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no f t u r b oc o d e sa n d o t h e rc h a n n e lc o d e s 5 2 第一章绪论 1 3 信道编码与t u r b o 码 1 9 世纪4 0 年代末 s h a n n o n l h a m m i n g 2 以及g o l a y 口1 等的开创性工作奠定了现代通信系统中 纠错编码技术的基础 s h a n n o n 在其信息理论中 用数学方法定义了信源的熵以及通信信道的容 量 指出只要保证信源的熵小于信道容量 就能以非零传输速率在噪声信道中实现可靠数据传输 s h a n n o n 理论为纠错编码技术提供了理论依据和发展方向 然而却没有说明如何构造纠错码以达 到信道容量 几十年来 人们构造了多种纠错码 如分组码 卷积码以及级联码等 尽管其中一 些纠错码在实际通信系统中已经得到广泛应用 但所有这些码离s h a n n o n 限仍有相当大的距离 这在一定程度上制约了通信系统的进一步发展 直到2 0 世纪9 0 年代纠错码领域才获得了堪称里程 碑式的重大突破 1 9 9 3 年法国学者b e r r o u 等提出了一类并行级联卷积码 p c c c 即所谓的 t u r b o 码 h i t u r b o 码编码器由两个或两个以上并行级联的卷积码子编码器和伪随机交织器构 成 采用迭代译码结构和最大后验概率 m a p 软输入软输出 s s o 译码算法 获得了比所有 当时已知的信道编码方法更接近s h a n n o n 限的性能 在大译码数据块长度以及i o u 2 0 次迭代情况 下 t u r b o 码在误码率 b e r 1 0 处将与s h a n n o n 限的距离推进到仅0 5 d b 左右 图1 2 显示了t u r b o 码与现有系统中采用的其他信道编码方式的性能比较p j 从1 9 9 3 年至今 在t u r b o 码的激励和启发下 具有迭代译码结构的信道编码方式获得了空前 发展 一些提出己久的信道编码重新得到深入研究 新的编码方式也不断出现 如s b e n e d e t t o 提出的串行级联卷积码 s c c c 混合级联卷积码 h c c c r p y n d i a b 等提出的t u r b o 乘积码 t p c 1 咀及低密度奇偶校验码 l d p c 7 1 等 另一方面t u r b o 码在通信领域的应用研究也在如火如荼的进行 现今 t u r b o 码已经应用到 各种通信系统和存储系统中 最近 空间数据系统咨询委员会 c c s d s 数字视频广播 d 一t 以及第三代移动通信系统伙伴项目 3 g p p 组织已经将t u r o b 码作为信道编码方式之一写入技术 规范中 t u r b o 码除作为独立的信道编码方法得到应用外 其迭代译码思想还扩展到通信系统的 其他模块 推动着t u r b o 码与众多通信关键技术 如高效编码调制 均衡 多用户检测 m u d 以及空间分集技术等的有机结合 这些都有望较大程度上提高现在和未来通信系统的性能 t u r b o 码在实际通信系统 特别是移动通信系统中的广泛应用还需要解决至少两个问题 一 是降低译码器的实现复杂性 另一个是减少译码延时 这两个问题的关键实际上是如何有效实现 软输入软输出 s i s o 译码算法 包括简化算法 提高译码速度 改善硬件实现结构等 针对于 此 大量文献做了研究 8 j 2 1 其中部分研究成果已经形成了产a t 但是 目前正在着手建设 的新一代通信系统 如第三代移动通信系统 3 g 对q h r b o 码的实现提出了更高要求 即能够支 持高译码数据速率 2 m b p s 同时具有低译码延时和低误码率性能 现有算法要达到这个目标显 得力不从心 为此 必须开发新的t u r b o 码译码算法和实现结构 这一点我们将在本文中另辟章 节专门论述 1 4t u r b o 编码高效调制 如上所述 t u r b o 码可以通过对多个简单子码的组合获得接近香侬限的性能 但是标准t u r b o 码的编码速率一般在1 2 以下 对于某些要求较高频谱利用率的系统 如移动通信系统 来说 3 上海交通大学博士学位论文 这意味着需要占用更多的频带资源 为了解决这一问题 人们尝试将n 曲o 码与高阶调制结合 以获得同时具有功率高效和频谱高效特性的传输方式 1 9 9 4 年 g o f f 等首先提出了一种简单的 t u r b o 编码高效调制结构 l 它由t u r b o 码编码器和高阶调制器串行级联而成 通过对t u r b o 码 校验比特输出的删截实现编码比特到不同调制方式的映射 这种结构将t u r b o 码和调制作为两个 独立的单元分别处理 简化了系统设计 随后r o b e n s o n 和b e n e d e t t o 对u n g e r b o e e k 的网格编码 调制 t c m l l 作了扩展 分别提出了另外两种t u r b o 编码高效调制结构 i 州 j 其特点是用t u r b o 码代替t c m 中的卷积码 译码时采用基于码元的迭代s i s o 译码算法 从整体上实现了t u r b o 码和调制的联合编译码设计 性能分析显示 无论a w g n 还是瑞利衰落信道中 t u r b o 编码高效 调制的性能在中高信噪比下都全面超越了具有相同频谱效率和复杂性的t c m 然而上述文献中 没有给出t u r b o 编码调制 t u c m 在衰落信道下的理论性能分析和设计方法 另外 在实际应 用中 为了速率匹配往往需要对编码输出做出大量删截 致使t u r b o 码编码速率提高 仿真显示 高编码速率和高阶调制结合的a t u c m 机制在衰落信道下的性能恶化较为严重 本文的后续章节 将就如何进一步改善t u c m 在衰落信道下的性能作深入探讨 1 5 自适应传输技术 当通信信道具有时变特性时 传统的通信系统通常根据最差的信道条件设计 尽管这种方法 可以保证在各种信道条件下系统都能获得较好的传输质量 但也存在者无法充分利用衰落信道容 量的不足 最近 多种新型移动通信系统的规范中均采用自适应传输技术作为提高系统容量的手 段 自适应传输包括自适应编码调制 a c m 自动重复请求 a r q 多码传输 自适应资源 管理 a r m 等 其中a c m 与a r q 是实现物理层和链路层自适应的两种重要方法 1 5 1 自适应编码调制 自适应编码调制 a c m 系统可以根据无线信道条件实时调整调制模式 编码方式 信息速 率 传输功率等系统参数 当信道条件较好时 采用较高频谱利用率的编码调制方式以增加系统 容量 而当信道条件变差时 则采用低频谱效率的编码调制方式优先保证系统传输质量 信道状 态在发送端和接收端分别估算并反馈给对方 自适应编码调制使无线系统工作在平均信道条件 下 系统频谱效率增益可以得到显著增加 1 9 9 5 年w t w e b b 和r s t e e l e 提出了保持功率恒定而改变调制电平数的自适应调制方案 1 即当信道环境没有衰落或衰落程度较轻时采用大星座传输数据 而当信道衰落加重时逐步减小星 座大小 以此保证一定的误比特率和接收端稳定的接收功率 加州理工学院的a j g o l d s m i t h 和 s c h u a 中提出一种结合自适应多进制正交幅度调制 m q a m 和功率控制的自适应传输方法 1 g 将整个接收信噪比范围分为若干个区域 以最大化平均频谱利用率为目标 为每个区域设计一种 传输模式 根据当前时刻信道质量估算值 进行传输模式之间的切换 同时对每种传输模式采用 功率白适应来保证接收信噪比为恒定值 仿真结果表明 该结构与可变功率固定速率自适应结构 相比 可获得4 1 0 d b 的功率增益 而比非自适应调制方式可多获得2 0 d b 的功率增益 但这种机 制没有考虑信道编码 仍然和瑞利衰落信道香侬容量限有l l d b 的差距 1 9 9 4 年 加拿大m p r 电 t 第一章绪论 信公司的s m a l a m o u t i 和加拿大大不列颠哥伦比亚大