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4G通信系统中关键技术研究-Turbo、OVCDM、LTE技术
华侨大学 硕士学位论文 4G通信系统中关键技术研究－Turbo、OVCDM、LTE技术 姓名：李永杰 申请学位级别：硕士 专业：信号与信息处理 指导教师：凌朝东
华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究论 文 摘 要第四代移动通信系统,简称 4G，目前已经成为全球无线通信技术研究的热 门，它将使用大量的关键技术以实现高数据传输率。论文选择符合 4G 要求的若 干关键技术进行了下述研究： 仿真验证了 Turbo 码的高性能， OVCDM 码的高频 谱效率，提出了 Turbo+OVCDM 级联码并仿真证明了其可以综合 Turbo 和 OVCDM 的优点实现高性能和高频谱效率； 通过对典型 LTE(基于 Turbo、 OFDM) 和基于 OVCDMA 的 4G 系统进行仿真，得到了它们的系统性能数据，验证了这 些关键技术运用于 4G 系统的可行性，把这两者性能进行了比较，证明了基于 OVCDMA 的 4G 系统性能优于 LTE 系统； 通过 Turbo 码的 DSP 验证证明接近于 硬件实现的 Turbo 码性能比基于 matlab 仿真得到的性能有所损失。 本文首先阐述了 4G 系统出现的背景及其主要技术特征，并对 4G 发展的国 内外现状进行了总结分析；然后从编码、传输、多址技术方面分析了当前具有 潜力的 4G 相关技术，包括 Turbo 码、OVCDM 码、OFDM、MIMO、OVCDMA、 OFDMA 等，选择 Turbo 码、OVCDM 码、Turbo+OVCDM 级联码等编码技术进 行了仿真比较， 并对目前比较热门的以发展 4G 标准为目标的 LTE、 UMB、 Wimax 等无线通信标准协议相关技术进行了研究分析；接着对 LTE 和基于 OVCDMA 的 4G 系统进行了仿真比较；最后基于 Xilinx 的 DSP 开发平台，对 Turbo 码编 解码进行了 DSP 验证， 并基于 EDA 开发软件 Quartus II 对解码器进行了 RTL 级 综合验证，得到了其硬件实现耗用资源数据。关键词：4G，LTE，OVCDM(A)，仿真I华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究AbstractThe fourth generation mobile communication system, referred to as 4G, has become the world's most popular wireless technology. it will use a large number of key technologies to achieve high data transfer rate. This article chooses for a number of key technologyies meet the 4G requirements, the following studies are made: Simulation results of the Turbo code performance, OVCDM code of high spectral efficiency, the Turbo + OVCDM concatenated codes and simulation shows that it can combination of high performance and high through typical LTE (based on Turbo, OFDM) and the OVCDMA based 4G system simulation, get their performance data, which validate that the key technologies used in the feasibility of 4G systems, and the two properties were compared that the 4G system performance based on OVCDMA is better than LTE system. by DSP verification of Turbo codeproves that Turbo code performance close to the the hardware realization is decreased than simulation based on matlab. Firstly, this paper described the background of 4G systems, summarized the main technical characteristics and development of 4G, a summary analysis of domestic and int then from coding, transmission, multiple access technology, analysis of the current related technologies, which have the potential to be applied to 4G, including Turbo codes, OFDM, MIMO, OVCDMA, OFDMA, etc., and Turbo, OVCDM, Turbo + OVCDM coding techniques were simulated and compared, related technologies used by LTE, UMB, Wimax and other wirelessII华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究communications standard protocols were
then in the LTE and OVCDMA section, do simulate the LTE and OVCDMA based 4G system，and comparison between them are made too. At last, Turbo codec for the DSP code validation are made based on the Xilinx DSP development platform, the decoder was integrated RTL-level verification by using Quartus II software, and get its hardware resource consumption data.Keywords: 4G，LTE，OVCDM(A)，SimulationIII华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究原创性声明本人声明兹呈交的学位论文是本人在导师指导下完成的研究成果。论文 写作中不包含其他人已经发表或撰写过的研究内容，如参考他人或集体 的科研成果，均在论文中以明确的方式说明。本人依法享有和承担由此 论文所产生的权利和责任。学位论文作者签名：日期：学位论文版权使用授权声明本人同意授权华侨大学有权保留并向国家机关或机构送交学位论文和磁 盘，允许学位论文被查阅和借阅。论文作者签名： 签 名 日 期：指导教师签名： 签 名 日 期：II华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究第一章 绪论1.1 引言1.1.1 4G 系统出现背景 移动通信技术已成为当代通信领域内发展潜力最大、市场前景最广的热点技术。随着社 会的进步和科技的发展，人们对通信方式和质量的要求越来越高，基于数据包的高速数据传 输势在必行。虽然第三代移动通信系统是能够满足国际电联提出的 IMT-2000 PFPLMTS 系统 标准的新一代移动通信系统，具有很好的网络兼容性，能够实现全球范围内多个不同系统间 的漫游，不仅要为移动用户提供话音及低速率数据业务，而且要求能提供广泛的多媒体业务。 但它也面临竞争和标准不兼容等问题，存在以下局限性，包括不能支持较高的通信速率，3G 标准虽然标称能达到 2Mbit/s 的速率，但平均速率只能达到 384 kbit/s。尽管目前 3G 增强型技 术不断发展，但其传输速率仍然与用户实际需求还有差距；不能提供动态范围多速率业务， 由于 3G 空中接口主流的三种体制 WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA 所支持的核心网不具 有统一的标准，难以提供具有多种 QoS 及性能的多速率业务；不能真正实现不同频段的不同 业务环境间的无缝漫游。由于采用不同频段的不同业务环境，需要移动终端配置有相应不同 的软、硬件模块，而 3G 移动终端目前尚不能实现多业务环境的不同配置[1]。 由于 3G 系统上述局限性，更高数据传输速率，能提供不同 QoS 业务的统一标准的 4G 标准也就顺势产生了，它将解决目前 3G 遇到的技术限制。 1.1.1.1 4G 系统定义 在对 3G 系统实用性研究的同时,国内外移动通信领域的专家又开始了对 4G 系统的研究 和开发。此前很多世界组织给 4G 下了不同的定义，而 ITU 代表了传统移动蜂窝运营商对 4G 的看法，认为 4G 是基于 IP 协议的高速蜂窝移动网，现有的各种无线通信技术从现有 3G 演 进，并在 3G LTE 阶段完成标准统一。 ITU 4G 要求中速移动用户传输传输速率要提高到 100Mbit/s。根据 ITU 的 4G 要求总结 4G 定义为： “采用广带(可达 20MHz) 接入和分布网络， 具有非对称超过 2Mb/s 的数据传输能力， 对全球移动用户能提供 150Mb/s 的高质量影像服务。 4G 系统包括广带无线固定接入，广带无线局域网，移动广带系统和互操作的广播网络，它可 以在不固定的无线平台和跨越不同频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入互 联网，能够提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能[2]” 。1华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究1.1.1.2 4G 系统技术特征 必须意识到的是，由于基本关键技术研究，标准制定等时间上的连续性，4G 是 3G 技术 的进一步演化，是在传统通信网络和技术的基础上不断提高无线通信网络效率和增强功能。 同时它包含的不仅仅是一项技术，而是多种技术的融合，不仅包括传统的移动通信领域的技 术，还包括宽带无线接入领域的新技术及广播电视领域的新技术。 4G 是多功能集成的宽带移动通信系统，比 3G 更接近于个人通信。4G 相对于 3G 具有优 势的是其技术基础性较好，4G 将从编码调制，多址，干扰抑制等方面采用具有创新和突破性 的技术，如级联编码、OFDM、OFDMA，MIMO 、软件无线电等，这将能大幅提高频率使用 效率和系统可实现性。 1.1.2 4G 系统概况 根据上述 4G 系统定义，我们可以得出 4G 系统网络结构图，4G 系统针对各种不同业务 的接入系统，通过多媒体接入连接到基于 IP 的核心网中，实现 2G、3G、4G、WLAN 及固定 网间无缝漫游。4G 网络结构可分为三层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。物理网络 层提供接入和路由选择功能，中间环境层的功能有网络服务质量映射、地址变换和完全性管 理等。物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的，使发展和提供新的服务 变得更容易，提供无缝高数据率的无线服务，并运行于多个频带，这一服务能自适应于多个 无线标准及多模终端，跨越多个运营商和服务商，提供更大范围服务。如图 1-1 所示：图 1-1 4G 系统网络结构图4G 网络特点包括： 　　(1) 支持现有的系统和未来系统通用接入的基础结构； (2) 与 Internet 集成统一，移动通信网仅仅作为一个无线接入网； 　　 (3) 具有开放、灵活的结构，易于扩展； (4) 是一个可重构的、自组织的、自适应网络；2华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究(5) 智能化的环境，个人通信、信息系统、广播、娱乐等业务无缝连接为一个整体，满 足用户的各种需求； (6) 用户在高速移动中，能够按需接入系统，并在不同系统间进行无缝切换，传送高速多 媒体业务数据； (7) 支持接入技术和网络技术各自独立发展。 1.1.3 国内外发展状况 国际电信联盟 ITU 为 4G 制定了明确的时间表 :2006 年至 2007 年完成频谱规划，2010 年 左右完成全球统一的标准化工作，2010 年之后开始商用。其中，4G 技术提案已经从 2008 年 开始征集。目前，全球范围内许多国家和地区都在加紧对 4G 的研究，各国组织了如无线世 界研究论坛 WWRF 欧盟第六框架项目、日本的移动 IT 论坛 mITF、韩国的下一代移动通信委 员会 NGMC 以及我国的“FuTURE 论坛”等多个论坛和联合体，致力于在 4G 的正式标准化 组织成立之前，联合更多的力量，推广自己的技术标准，以便在 4G 时代获得更多的利益[3]。 2001 年，国家“ 863”计划启动了面向 B3G/4G 的移动通信发展研究计划―FuTURE 未来 通用无线环境研究计划(简称 FuTURE 计划 )。其主要目标是面向未来十年无线通信领域的发 展趋势与需求，重点突破新一代移动通信系统关键技术，逐步建立一个集大范围蜂窝移动通 信、区域性宽带无线接入和短程无线连接为一体的通用无线电环境。我国已经启动 4G 研发 有 5 年的时间，国内十余家大学、企业和研究所均参与其中。 “FuTURE 计划”发展计划如下 : 2001 年一 2003 年为 FuTURE 计划的第一阶段(关键技术攻关 ); 2003 年一 2006 年为第二阶段(系统和应用演示); 2006 年一 2010 年为第三阶段(外场试验和预商用). 2006 年 10 月 31 日，4G 外场试验系统在上海通过了现场验收，正式将 FuTRUE 计划带 人第三阶段。这是全球进行的首次关于 4G 技术的应用测试，也是目前为止全世界最大的 4G 实验系统。FuTURE 计划在新一代移动通信无线组网、传输与多址等基础技术方面进行了一 系列创新，并已申请了 186 项国际、国内发明专利，向 3GPP 和 3GPP2 和 CCSA 等国内外标 准化组织提交了 100 余项标准化提案，一批核心技术已被国际标准化组织所采纳，带动了包 括 TD-SCDMA 在内的 3G 技术的发展。 从 ITU 为 4G 发展制定的时间表，以及目前各国对 4G 的研究情况看，2010 年将是关键 年。但目前就 4G 基础关键技术来看，各国和各个组织之间各持己见，各个国际标准化组织 之间存在竞争，目前已经形成了 3GPP LTE, 3GPP2 UMB、IEEE 802.16m 等国际组织竞争的3华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究场面，这很像 IMT-2000 技术提案形成时的情形。1.2 本课题的设计考量和研究内容鉴于以上关于 4G 系统的发展现状，以及该领域国内外的发展动态，经过反复论证和定 位，选题目的和设计主要根据以下几点进行考量： （1）4G 系统的最终方案未确定之前，需要对候选方案的关键技术，结合本专业所学知 识进行研究分析，就目前已经成为 4G 热门候选方案的 LTE 进行研究分析是很有必要的。 （2）目前 4G 系统发展的状况表明，单个国家和组织很难一统天下，所以技术上相互补 充和结合也是势在必行的，理论上可以进行各个方案基础技术相结合方面的研究分析。 （3） 从实现角度讲，可以结合自己专业所学的系统硬件实现方面的知识，对重点基础 技术的硬件实现进行研究分析。 （4）4G 系统已成为世界范围内热门的无线通信技术研究对向，对其进行的基础性研究 会对以后从事相关方面研究或者项目开发提供支持。 4G 系统关键技术是要综合考虑其在系统中的优缺点，通过和相关技术结合使用，得出 其性能优差与否，但是毕竟每个标准组织之间存在竞争和技术垄断现象，还是需要从事无线 通信技术研究的人员摒弃这些禁锢技术发展的劣根，客观公正的对 4G 关键技术进行研究分 析。本文就是在此背景下对 4G 发展过程中最新出现的关键技术进行研究分析，通过研究和 阅读相关参考文献和资料，结合自己的所学的专业知识，以及做相关项目的体会，得出自己 的相关见解。1.3 论文的主要结构第1章　 引言。主要论述研究课题的来源、背景以及国内外发展状况。 第2章　 针对现有的 4G 关键技术进行总结性分析，并对研究方法和使用工具进行了描述。 第3章　 针对 LTE 和 OVCDMA 关键技术，进行 matlab/simulink 仿真验证。 第4章　 针对 Turbo 码技术进行 DSP 仿真验证，主要基于 xilinx 算法开发平台。 第5章　 总结与展望。总结本设计的特点，并对存在的问题进行分析，并对下一步工作进行展 望。4华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究第二章 4G 系统物理层关键技术分析2.1 4G 系统关键技术对 4G 方案进行研究，必不可少的就是对其基础技术进行研究分析，尤其是针对具有创 新性的基础技术， 也就是我们所说的 4G 关键技术， 这些技术是 4G 系统实现的基础， 如 OFDM （Orthogonal Frequency Division multiplexing） 、 MIMO （Multiple Input Multiple Output） 、智能天线 （Smart Antenna ） 、 软件无线电（ Software Defined Radio ） 、 多用户检测技术（ Multi-User Detection） ， IPv6 等，涵盖了编码调制、干扰抑制、检测译码、传输、组网等多方面。典型的 4G 系统模 型如图 2-1 所示：图 2-1 4G 通信系统原理框图从上图可以看出 4G 通信系统包括信道编码、调制、多址接入、传输技术以及对应的逆 过程，这些过程需要 4G 系统采用有代表性的技术，我们称之为关键技术。 2.1.1 编码技术 这里所说的编码是指信道编码，或者纠错编码，它是指在信息序列里面故意引入可控冗5华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究余信息，提高传输的可靠性。显然既要保证编码效率，又要保证纠错性能，这是相互矛盾的 一对指标，编码效率直接影响频谱效率，因为它以降低信息传输速率为代价来换取传输可靠 性的提高。传统的编码效率小于 1，因为信道编码的实质是在信息码中故意增加一定数量的 多余码元（称为监督码元） ，使它们满足一定的约束关系，这样由信息码元和监督码元共同组 成一个由信道传输的码字。一旦传输过程中发生错误，则信息码元和监督码元间的约束关系 被破坏。在接收端按照既定的规则校验这种约束关系，从而可达到发现和纠正错误的目的。 举例而言，欲传输 k 位信息，经过编码得到长为 n(n & k) 的码字，则增加了 n - k 位监督码 元，我们定义 Rc= k/n 为编码效率或码率。在这里我们定义传统 n & k 的所形成的域为有限 域，在这里也将展示一种离开有限域的编码，即码率不小于 1（n&=k）的编码-OVCDM 码。 分组码是最早出现的信道编码，它是把前后独立的 k 个信息符号映射到 n 个符号的码字。 汉明码是第一个具有构造性的纠错码[4]，接下来编码技术的重大突破就是 RS(Reed-solomon) 码和 BCH(Bose-Chaudhuri- Hocquenghem)码的出现[5-7],二进制 BCH 码包括汉明和格雷码，从 最大可区分码距角度讲，二进制 BCH 码具有渐进的弱点，而非二进制 BCH 码--RS 码是最优 的。 第一个实用的分组码译码算法― 门限译码，是由 Reed 提出的[8]，接着又出现了好多种译 码算法包括求解线性方程组译码算法、序列译码算法、低密度奇偶校验码译码算法和比较有 重要意义的代数译码算法，如用于 RS 译码的 BM(Berlekamp-Massey)[9]算法. 紧接着卷积码出现了，它是非分组码，它与分组码最大不同点就是具有存储器，所以它 使 k 个信息符号到 n 个信息符号的映射涵盖了前面的信息符号，卷积码最先有 Elais [10]提出， 他证明了不同类型的随机选取码具有较好的性能。 序列译码算法[11]是第一个可以运用于较长卷积码译码的实用算法,但计算复杂度限制了 其更广泛应用的可能性，门限译码也可以运用于卷积码译码，但其性能受到限制[12].但维特比 译码算法(Viterbi algorithm)[13]是个例外，当编码约束长度较小的时候，其性能非常好，它每 步具有固定计算量使其不受计算计算复杂度的影响，并且能使序列错误概率最小化。这些特 性使得 VA 译码算法在信道译码方面得到广泛应用。 作为 VA 算法的改进算法， Bahl[14]等最先 介绍的 MAP(maximum a posteriror)算法能得到最小的比特错误概率，但这种算法直到 turbo 码出现后才得到广泛应用，这是由于其运用于卷积码译码时复杂度为 VA 的两倍，但性 能却仅仅接近 VA。 紧接着信道编码出现的重大突破就是 Turbo 码，作为对现有材料的独具匠心的应用，6华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究Berrou 具备了天才般的智慧，他发明的 Turbo 码的性能接近香农限[15]，而 Turbo 码是两个或 者更多递归卷积码、一个伪随即交织器和 MAP 译码迭代译码算法的结合，Turbo 码在使用较 短的卷积码约束长度，较长的编码序列长度，10 至 20 次的迭代译码次数的情况下性能达到 最佳，只距香农限 0.5dB 左右（香农限-1.6dB） 。 Turbo 码其实是属于并行级联码(PCCC parallel concatenated convolutional codes)Turbo 码的成功使得具有相同组件的串行级联码、混合级联码也出现了，并且也获得了和 PCCC 码 相同的编码增益，在高信噪比情况下由于 SCCC 和 HCCC 码具有较好的码距分布，所以性能 优于 PCCC 码[16-28]。 级联码中的分量码除了卷积码之外， 还可以选择汉明码、 RS 码等分组码。 本文即将介绍的 OVCDM 码字也可以作为分量码。 目前的 4G 系统趋向于采用级联码编码技术，比如 Turbo 码。所以下文重点介绍两种具 有代表性的级联码形式，Turbo 以及 Turbo 和 OVCDM 的混合级联码。 首先介绍编码的香农限问题，香农限是衡量编码性能的一个重要指标，信道编码接近香 农限它意味着信道传输的速率和差错率取得较好的平衡，香农公式如 2.1 式所示：C = B *log 2 (1 + S ) N（2.1）其中 C 为信道容量，也就是最大允许传输速率，B 为信道带宽，S 为信号功率，N 为噪声功 率； 设定信道实际传输速率为 R bit/s,信号功率 S=Eb*R，噪声功率 N=No *B，代入式 2.1 代入得：C = B *log 2 (1 + Eb * R ) No * B（2.2）又有 R&=C，R/B = γ ，其中 γ 为频谱效率可得：γ ≤ log 2 (1 + γ *Eb ) No? E ? 2γ ? 1 Eb ≥ min ? b ? = No γ ? No ?（2.3）通常我们所说的香农限以 dB 为单位，只需对 2.3 式求得的信噪比以 10 为底取对数即可， 得到的相应曲线如图 2.1-2 所示：我们可以看出香农限约为-1.6dB。我们在验证某个信道编码 的时候，可以认定频谱效率为编码速率和单个调制符号包含 bit 数的乘积。7华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究2520最 小 信 噪 比 (单 位 ： dB)151050香农限 -1.6dB-5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10频谱效率 (单位： b/s/Hz)图 2.1-2 频谱效率和所需最小信噪比关系图2.1.1.1 Turbo 码 Turbo 码是 3G 的系统中最常用的信道编码，4G 系统也延续使用了 Turbo 码字，只是参 数根据系统自身特点稍做修改， Turbo 码的特点决定了其适用于大数据量传输。 首先看下 Turbo PCCC 码的结构（这里只含有两个并行分量码和一个交织器，可以含有多个并行编码器及对 应的交织器）如图 2.1-3 所示：图 2.1C 3 Turbo( PCCC )结构图两个分量码都是递归系统卷积(RSC recursive systematic convolutional)码，交织器为伪随 机交织器，其编码过程为：输入信息比特依次进入分量码编码器 1，经过交织器交织输入分8华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究量码编码器 2，这样编码器输出就由输入信息比特序列，以及两个编码器生成的校验 bit 序列 组成，然后根据需要可以对编码输出的码字按照既定模式进行打孔，以增大编码器的整体编 码速率。 我们先对 Turbo 码的误码率性能进行分析，总结出影响其性能的关键因素。 对于(n0 ，k0 ）的 Turbo 码，其输入输出码重枚举方程(IOWEF)[17]为：A (W , H ) = ∑ ∑ Aw ,hW w H hw= 0 h = 0k0n0(2.4)其中 Aw ,h 是由重量为 w 的输入产生的码重为 h 的输出的码字个数，基于码的 IOWEF ，应 用归一化极限可得到使用最大似然(ML)译码时的误码字率为[17]：? k0 ? ? 2 hrEb Pw ( e) ≤ ∑ ? ∑ Aw ,h ?Q ? ? N0 h =d min ? w =1 ? ?n0? ? ? ?（2.5）其中 dmin 为非 0 码字序列的最小码重，也就是两个不同的输出码字序列之间的最小的码 重距离，进一步化可得到误比特率可得[17]：Pb ( e) = ∑ww p (e, w) k0 w ? ? ? ?(2.6)≤ ≤其中 Bh = ∑k0? k0 w ? ? 2hrEb ∑ ? ∑ Aw ,h ?Q ? N0 h = d min ? w=1 k 0 ? ? ?n0 h = d min∑n0? 2hrEb BhQ ? ? N0 ?? ? ? ?w Aw,h ； 其中 Pw ( e, w) 表示输入码重为 w 的码字序列引起的误码率， 其中 k 0 Bh w=1 k0表示产生输出码字序列码重为 h 的所有输入序列的码重之和。从上式中可以看出减小误码率 可以增大 dmin ，这是线性分组码或者卷积码经常采用的策略，而 Turbo 码采用的是减小乘积 项 Bh ，这显然能产生明显效果，减小 Bh 就是减小输出序列的整体码重。Turbo 码就是通过一 个伪随机交织器改变输出码字序列的码重分布，从而实现性能优化的。 卷积码的输出码重，由于没有交织器是不能改变的，而且虽然减小 k0 理论上可以减小误 码率， 但是却由于输出较高码重的码字序列而会使 h 增大，从而使得 Bh 增大， 码重分布极差， 这在低信噪比情况下，使得误码率恶化，而 Turbo 码在这种情况下由于采用了伪随机交织器， 这样 Turbo 码具有了时变性，从而使第一个分量码编码器输出的低码重校验序列总能匹配上 第二个分量码编码器输出的高码重校验序列，因此编码器输出的码字序列具有了较好的码重9华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究分布，平均码重的码字序列占据了大多数，这样随着交织器 N 的增大更加明显，Bh 减小，会 使 turbo 码在低信噪比情况下误码率性能出现陡峭下降的良好情况。 而在较高信噪比情况下，Turbo 码的误码率可用式 2.7 表示[17]： Pb ( e) ≈ 2d f rEb N 1 Q( )∑ wAw ,d f N N0 w=1 (2.7)其中 N 为交织器长度，df 为自由距离，就是信息符号经交织后的距离。如果 df 比较小， 则自由距离渐进平坦，这样会导致 Turbo 码出现误码平台，改进措施有两个，一增大 N，保 持 ∑ wAw ,d 不变，这只是降低了误码平台，并没有改变误码率曲线的变化趋势，另外一个办w =1 N法是在保持 N 和 ∑ wAw,d f 不变的情况下，增大自由距离可以使误码率曲线出现陡降。w =1N总结 Turbo 码的设计规则如下： 1.Turbo 码的生成矩阵如式 2.8 所示[17]： g ( D ) = [1, P P ( D) 1 ( D) ,..., n?1 ] Q( D) Q( D) (2.8)其中 Q(D)为 m 阶本原多项式，P1 (D) … Pn-1 (D)是不同于 Q(D)的多项式, Q(D)形式为 (1+ … + biDi + … + Dm), i = 1… m-1,bi = （0，1）. 2.分量码编码器应是递归的，这样可以获得交织增益，选择是系统的主要是考虑到译码， 系统码编译码复杂度降低，所以一般分量码编码器选用递归系统卷积码。 3．1/n 码率的 Turbo 码编码器，如果存储器个数为 m，则最大的有效自由距离为：d f , eff ≤ 2 + (n ? 1)(2m?1 + 2)(2.9)Turbo 码译码采用 MAP 译码算法，经典的如 BCJR 译码算法。图 2.1-4 是对 Turbo 码进 行的迭代性能验证，调制方式为 BPSK 调制，采用 MAP 译码算法的改进算法 max- log- map 译码算法，并采用 3GPP 标准交织方式进行交织，交织长度 1024，递归 S=0.625,横坐标为信 噪比，纵坐标为误码率。图 2.1-5 是对 Turbo 码交织长度性能验证，调制方式为 BPSK 调制， 采用 max- log-map 译码算法，并采用 3GPP 标准交织方式进行，迭代次数 2 次，长度分别为 320，637，5117，横坐标为信噪比，纵坐标为误码率。10华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究100max-log-map译码算法 ,1024交织长 度 ,1/3码率 1 次迭代 2 次迭代 3 次迭代10-110 Bit Error Rate-210-310-410-510-610-700.51 E /N (dB)b 01.522.5图 2.1-4不同迭代次数对 turbo 码译码性能的影响总结：由图 2.1-4 可以看出随着迭代次数的增加，误码率性能得到越来越明显的改善，并 逐渐逼近香农限（此时频谱效率为 1/3，香农限为-1.08） 。如迭代 3 次时，取误码率 10e-5 时 的信噪比为 1.5dB，距离香农限 2.58dB。但是改善的幅度逐渐降低，这也验证了在迭代过程 当中，Turbo 码靠分量译码器之间互相交换软比特信息来提高译码性能。图 2.1-5交织长度对 Turbo 码译码性能影响11华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究由图 2.1-5 可以看出交织长度越长，误码性能越好，这验证了 Turbo 码“交织增益” ，并 且当交织长度越长时，交织增益越明显，当交织长度为 5117 时，系统误码率为 10e-5 时噪声 门限为 2.05dB，距离香农限 3.13dB。 综合上述试验结果， Turbo 码性能的改善是需要从各个先关因素综合考虑的，单靠增加 迭代次数，或者增加交织深度是不能一步到位的改善误码率性能的，比如当增加交织深度到 5117 时，仍然与香农限存在较大差距。 2.1.1.2 OVCDM 码 OVCDM(Overlapped Code Division Multiplexing)编码是由北京邮电大学李道本教授发明 的，其基本思想[18]是： 如果在码率高于 1 时，编码输入序列与其路径编码输出之间仍然存在着一一对应关系， 就可以利用码率高于 1 的线性或非线性卷积编码复用来大幅度提高系统的频谱效率。通常我 们的编码器的编码速率都是小于 1 的，称之为有限域，而 OVCDM 编码速率大于 1，所以称 其离开了有限域。 OVCDM 编码模型原理图如图 2.1-6 所示：N=1 即一输出, K 输入, 约束长度 L。...b 00 b 01 b 0L ? 1串 /并b 10 b 11...b 1L ? 1F ......L ?1 bK ?1b0 K ?11 bK?1图 2.1-6 OVCDM 编码结构图符号时间区间,即 t ∈ [ nTS ,( n + 1)TS )内,并行第° n = ?u % % % % ? 令 U ? n ,0 u n ,1 L u n, K ?1 ? 是并行传输的 K 维复数据矢量,其元素u n ,k 表示在第 n 个T个编码支路的复传输数 k ( k = 0,1, L , K ? 1)12华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究据。每一个元素% n ,k ∈ χ , χ 是一个 Q 重二元数据集合,或一般的埃米(Hermitian)数据集合, 在埃米集合中 u χ % % %* %? u ?u都有其对应的 、共轭 、负共轭元素 u?u,的尺寸(元素总数)为 2Q (Q为每个符号所荷载的比特数)。° n ∈ χ K ，数据矢量集合χ K 的尺寸为 2QK,它是一个 KQ 重二元数据集合或 K 重埃米 U集合；? bT ? 0 ? T ? b B = [B 0 , B1,L , B L?1 ] = ? 1 ? , ? M ? ? T ? ?b K ?1 ?是 编 码 矩 阵 ( K × LN 阶 ); B l 是 编 码 矩 阵 中 第? bT ? 0, l ? T ? l (l = 0,1,L, L ? 1) 抽头的编码矩阵( K × N 阶), B = ? b1,l ? ， l ? M ? ? T ? ? ?b K ?1,l ? ? T T k ( k = 0,1,2L.K ? 1) 路并行编码矢量( LN 维)； 其 ? T bk ? bT L bk k = ?b k ,0 ,1 ,L ?1 ? , 是第? l bT k , l = ?bk ,0 中:l bk L bkl , N ?1 ? ,1 ?； 是 第 k ( k = 0,1,2L.K ? 1) 并 行 编 码 支 路 中 第l (l = 0,1,2,L, L ? 1) 个编码抽头系数矢量( N 维);则 OVCDM 系统模型如式(2.10) 所示： °T V n = F {[Min ( n , L?1)∑l =0°T U n ?l B l ]}(2.10)上述的一一对应关系在这里就是指函数 F 应为单调可逆的非线性函数，则有与 2.10 式完 全对应的线性编码如式(2.11)所示：?1 ° %T v n = F (V n ) = Min ( n , L?1)∑l =0°T U n ?l B l(2.11)这是一个非线性或线性矢量卷积(或分组)编码模型： 1）在 K ≤ N , L & 1 时它就是典型的码速率为 K/N 的并行非线性或线性卷积码； 2）在 L=1,N&1 时它就是典型的码速率为 K/N 的非线性或线性分组码； 3）在 K& N 时其码速率将高于 1,就是本文将要讨论的广义重叠卷积编码复用传输,可以用来将系统的频谱效率提高 K/N 倍。其最大频谱效率出现在 N=1 的最大码率为 K 时。13华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究编码输出 2.10 式又可以写为：%T v n =Min ( n ,L ?1)∑l=0T °n % U ?l B l = ∑ v k , n = ∑ k =0 k =0K ?1K ?1 Min ( n , L?1)∑l =0% k , n? lb T , u k ,l(2.12)该编码模型也可以用多项式来表示如下： 第 k 路数据输入% k = [u % k ,0 , u % k ,1 ,L, u % k , n ,L]T , uk = 0,1,L, K ? 1, 第 k 路数据输入多项% k ( x) = u % k ,0 + u % k ,1 x + u % k ,2 x 2 + L + u % k ,n xn + L 式 u? bT ? ? b0 ( x) ? 0 ? T ? ? b ( x) ? b1 ? ? ? ,其中 编码矩阵 B = ,编码矩阵多项式 B ( x) = ? 1 ? M ? ? M ? ? T ? ? ? ? b K ?1 ( x ) ? ? b K ?1 ?l ( k = 0,1,L , K ? 1) b b k ( x ) = ∑ bT 为第 k 路编码多项式, k ,l 均为 N 维矢量,第 k 路编码输 k ,l x , l =0 L ?1出多项式% k (x) = u % k ( x )b ( x ) , v k总编码输出多项式K ?1 k =0 K ?1 k=0(2.13)% (x) = v % k ( x )b ( x ) , v ∑ % k ( x) =∑ u k(2.14)其由 K 路并行编码之和组成,其中各路的码率均为 1/N,总码率为 K/N 。 下面我们考虑 OVCDM 的基本要求： 1） 重叠卷积编码复用首先必须保证输入序列与输出序列之间的一一对应关系,即一个输出 序列不可能与两个或两个以上的输入序列对应,反之亦然。 2）重叠卷积编码复用在编码约束长度较长后，各并行编码输出在复高斯干扰环境下应逼2 ° 近 i.i.d. N (0, σ ) 序列，即同分布，独立，零均值，等方差复高斯序列。首先考虑如何保证输入与输出序列之间的一一对应关系，如果 K&=N,这种情况下除非选 用了 0 或行不满秩等不好的编码矩阵，是一定满足一一对应关系的。如果在 K&N 的情况下， 先看一个例子，例 : K=3,N=1,L=3,Q=2(比如 BPSK 调制)14华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究% n ,0 ? ?u ? % ° n = ?u 并行数据输入: U ? % n ,1 ? , u n ,k ∈{+1, ?1}, k = 0,1,2 ?% ? ?u n ,2 ?编码矩阵:1 1 ? ?1 j 2π / 3 B=? e ? j 2 π /3 ? ?1 e ?; ? j 2 π /3 ? e j 2π / 3 ? ?1 e ?并行编码结构:(2.15)?1? ? 1 ? ? 1 ? ? ? ? ? ? j 2π / 3 ? ; j 2 π /3 ? B0 = ?1? , B1 = ? e ? , B2 = ? e ? ? j 2π / 3 j 2 π /3 ? ? ? ? ? ?1? ? ?e ? ?e ?编码输出:(2.16)%T °T °T °T v n = U n B 0 + U n ?1B 1 + U n ? 2 B 2编码抽头系数多项式 :(2.17)b0 ( x ) = 1 + x + x 2 ,b1 ( x) = 1 + e j 2 π /3 x + e? j 2π /3 x 2 , b2 ( x ) = 1 + e ? j 2π /3 x + e j 2 π /3 x 2(2.18) 它们相互不可约（互质） ，即线性不相关。 编码输出为% (x) = u % 0 ( x)b ( x) + u % 1 ( x )b ( x ) + u % 2 ( x )b ( x) v 0 1 2 %0 (x) + v % 1(x) + v % 2 ( x), =v(2.19)显然，如果该编码的输入输出存在一一对应关系，编码输出的频谱效率就可以较编码输 入提高三倍。% k ( x ) }是对称函数集合， % k ( x ) }也必然是对称函数集合， 由于{ u {v 所以只研究它们集合{●}中由正元素组成的半集合{●}+就够了，因为集合{●}中的其它元素一定为 {●}+中元素之负。 由于本编码的约束长度 L=3，检查数据长为 3 的即帧长为 5 的情况，则输入数据集合% 0 ( x)},{u % 1 ( x)},{u % 2 ( x)} 中都有 8 个元素，即 {u15华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究{1 + x + x 2 ,1 + x ? x 2 ,1 ? x + x 2 ,1 ? x ? x 2 , ?1 + x + x2 , ?1 + x ? x 2 , ?1 ? x + x2 , ?1 ? x ? x 2 }, 由 于 集 合 的 对 称 性， 只 研 究 其 正 元 素 集 合 就 够 了 ， 即 下 述 4 个 正 元 素 集 合： {1 + x + x 2,1 + x ? x2 ,1 ? x + x2 ,1 ? x ? x2 }+ 。对应的正编码输出集合中分别也有 4 个正元素；即：% 0 ( x)}+ = {u % 0 ( x )}+ b ( x ) {v 0 % 00 ( x ), v % 01 ( x ), v % 02 ( x ), v % 03 ( x )}+ , = {v % 1( x )}+ = {u % 1 ( x )}+ b ( x ) {v 1 % 10 ( x ), v % 11 ( x ), v % 12 ( x ), v % 13 ( x )}+ , = {v % 2 ( x)}+ = {u % 2 ( x)}+ b ( x) {v 2 % 20 ( x ), v % 21 ( x ), v % 22 ( x ), v % 23 ( x )}+ , = {v % 00 ( x ) = 1 + 2 x + 3 x 2 + 2 x 3 + x 4 , v % 01 ( x) = 1 + 2 x + x 2 ? x 4 , 其中: v % 02 ( x ) = 1 + x 2 + x 4 , v % 03 ( x ) = 1 ? x 2 ? 2 x 3 ? x 4 , v% 10 ( x ) = 1 ? e ? j 2 π /3 x ? x 3 + e ? j 2π / 3 x 4 , v % 11 ( x ) = 1 ? e? j 2π / 3 x ? 2 x2 + ( e ? j 2π / 3 ? e j 2π / 3 ) x 3 ? e ? j 2 π /3 x 4 , v = 1 ? e ? j 2 π / 3 x ? 2 x 2 ? j 3 x3 ? e ? j 2π / 3 x 4 , % 12 ( x ) = 1 + (e j 2 π /3 ? 1) x + (1 + e? j 2π / 3 ? e j 2π / 3 ) x 2 + (e j 2 π /3 ? e ? j 2 π /3 ) x 3 + e ? j 2π / 3 x 4 , v= 1 ? (1 ? e j 2π / 3 ) x + (1 ? j 3)x 2 + j 3 x3 + e? j 2π / 3 x4 ,% 13 ( x ) = 1 ? (1 ? e j 2π / 3 ) x ? (e j 2π / 3 ? e ? j 2 π /3 + 1) x 2 + x 3 ? e ? j 2π / 3 x 4 , v = 1 ? (1 ? e j 2 π /3 ) x ? (1 + j 3) x 2 + x 3 ? e? j 2π / 3 x 4 , % 20 ( x ) = 1 ? e j 2π / 3 x ? x3 + e j 2 π /3 x 4 , v% 21 ( x ) = 1 + (1 + e ? j 2 π / 3 ) x ? 2 x2 + (e j 2π / 3 ? e ? j 2π / 3 ) x3 ? e j 2π / 3 x 4 , v = 1 + (1 + e ? j 2π / 3 ) x ? 2 x 2 + j 3 x3 ? e j 2π / 3 x4 , % 22 ( x) = 1 ? (1 ? e? j 2π / 3 ) x + (e j 2π / 3 ? e? j 2π / 3 + 1) x 2 + (e ? j 2π / 3 ? e j 2π / 3 ) x3 + e j 2 π / 3 x 4 , v16华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究= 1 ? (1 ? e? j 2π / 3 ) x + (1 + j 3)x 2 ? j 3 x3 + e j 2π / 3 x4 , % 23 ( x) = 1 ? (1 ? e ? j 2π / 3 ) x + (e j 2 π / 3 ? e ? j 2π / 3 ? 1) x2 ? (e j 2 π / 3 + e ? j 2 π / 3 ) x 3 ? e j 2π / 3 x 4 , v = 1 ? (1 ? e? j 2π / 3 ) x ? (1 ? j 3) x2 + x 3 ? e j 2π / 3 x 4 ,根据对称性，我们有 :% k 4 ( x) = ?v % k 3 ( x ), v % k 5 (x) = ?v % k 2 ( x ), v % k 6 ( x) = ?v % k1 ( x ), v % k 7 ( x) = ?v % k 0 ( x ) ， ?k =0,1,2 v(2.20)% 0 ( x )} +， {v % 1( x )} +， {v % 2 ( x)} + 中并未发现有相等、相反或等于其 在上述诸正半集合{ v % 0 ( x )} ， 它两集合元素之和 ( 差 )，即线性相关的元素。根据码字的对称性，码字全集合 { v % 1( x )} ，{v % 2 ( x)} 中决不会存在相等、相反或等于其它两集合元素之和 (差)，即线性相关的 {v元素。完全没有必要检查该码的全部 512 种编码输出。另外，由于该码的约束长度为 3 也没 有必要进一步检查更长数据长度的情况。因此，可以断定例 3 编码的输入输出关系一定是一 一 对 应 的 。 另 外 ， 若 该 码 的 输 入 不 是 二 元 数 据 而 是 四 元 的 QPSK 数 据 ， 即% n ,k ∈ {+1, ?1, + j, ? j} 时，由于其数据多项式与 b ( x), b ( x) 对该四元数据也不可约，相信 u 1 2其输入输出关系一定也是一一对应的。因此，该码无论对二元或是对四元输入数据都是一个 有效的可提高频谱效率三倍的编码。 因 此 ， 我 们 完 全 有 理 由 相 信 :只 要 编 码 离 开 有 限 域 ， 且 诸 编 码 抽 头 系 数 多 项 式bk ( x ), k = 0,1,L , K ? 1, 相互互质（线性无关） ， 对任何码率(包括码率高于 1 )， 编码复用（多址）的输入序列与输出序列之间一定存在一一对应关系。而且根据中心极限定理在编码约束 长度较长后，由于各编码输出序列是大量线性无关编码抽头系数的叠加，它们一定会逼近相 互独立的编码复高斯序列。 OVCDM 编码类似卷积码编码，所以我们译码的时候要考虑状态转移，即我们熟悉的 Trellis 图 ， 重 叠 卷 积 编 码 系 统 共 有 2QK(L-1) 种 稳 定 状 态 ， 在 以 二 进 制 表 示 时 为 : { ++ L + ， + + L ? ，… … … … .， ? ? L ? } 14
4244 3KQ ( L?1) KQ ( L?1) KQ (L ?1)系统的初始与最终状态为全零(0)状态，即 { 00 L 0 }， 14 4 244 3KQ( L ?1)17华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究在以二进制表示时，状态中前(左)边 KQl (l = 1,2,L, L ? 2) 个二元数据为全 0 的状态 被称之为前过渡状态， 状态中后(右)边 KQl (l = 1,2,L, L ? 2) 个二元数据为全 0 的状态被 称之为后过渡状态。初始状态，前过渡状态与稳定状态都可以向其它 2QK 个前过渡或稳定状 态转移， 稳定状态与后过渡状态只能从前边 2QK 个稳定状态或后过渡状态转移过来， 初始 状态与前过渡状态只能向后转移，最终状态与后过渡状态只能从前边转移过来。状态转移关 系为:?/ e {a b L L c d} ??→ {b L c d e}
144 4 2444 3 L ?1L ?1其中 a, b,L, c ,d , e 全是 K 维矢量(QK 维二元矢量)包含 K 维 0 矢量(取决于是前过渡或后过渡? /e 状态)， ??→ 中 e 表示新输入的 K 维矢量，一个新的 K 维矢量输入进来必然导致一个最老 ? /e (早)的 K 维矢量离去， ??→ 中●表示对应的支路编码(支路 Metric)输出，根据支路度量的选择方法不同，如果选择了欧氏距离度量，则称为最大似然序列译码，如果采用了信道传输 信息(软信息)译码，我们称之为 MAP 译码。 图 2.1-7 所示的编码输入是 BPSK 二元数据 χ = { +1, ?1} ， 采用约束长度为 3 的三重编码 复用（多址） ，编码参数为：K=3，N=1， L=3，经线性卷积编码复用（多址）后，系统的容 量与频谱效率可以提高 3 倍，AWGN 信道下，采用 MLSD 译码算法。其中：° n = [u % 0, n ,u % 1, n ,u % 2, n ]T , U % k ,n ∈{+1, ?1}, k = 0,1,2, u1 1 ? ? 1 ? j ? j? ?1 ? ? j 2π / 3 B3,1 ? e ? j 2π / 3 ? ? ? j j ?1? , B3,2 = ?1 e ?, ? j 2π / 3 j 2π / 3 ?1 ?1 e ? j 1? e ? ? ? ?18华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究1.E+001.E-011.E-021.E-03误码率1.E-041.E-051.E-061.E-07ＢＰＳＫ ８ＰＳＫ ８ＱＡＭ ＯＶＣＤＭ　Ｂ３，１ ＯＶＣＤＭ　Ｂ３，２0 1 2 3 4 5 6 7 信噪比(dB) 8 9 10 11 12 13 141.E-08图 2.1-7 K=3，N=1，L=3 的两种线性编码复用输入数据集合 χ = { +1, ?1} ，编码矩阵 :?1 B 3,1 = ? ? j ? ? ?1 ?j j j ? j? 1 ?1 ? ? j2π / 3 ?1 , B 3,2 = 1 e ? ? ? j 2 π /3 1 ? ? ? ?1 e ? ?, e ? e j 2π / 3 ? ? 1? j2π / 3从上图可以看出，尽管采用的只是极简单的 3×3 编码矩阵，约束长度非常短(L=3)，但 是其编码的优势已经很明显了， 频谱效率是 BPSK(Q=1)的 3 倍。 （ BPSK 频谱效率为 1， OVCDM 频谱效率为 3）而且在用户数 K 增加 3 倍后，其归一化门限信扰比减小了 3dB。而系统容量 与频谱效率却分别提高了 3 倍。这就证明了在复用时多个信号源或在多地址时多个地址用户 的确共享了信道容量。显然，对于更高重 K 的重叠码分复用，特别是更长的约束长度 L，在 选择了最佳编码矩阵后，一定有相同的结论。当然，与任何信道编码一样，编码复用以后在 低信扰比时的性能甚至还不如未编码情况。 经过大量采用更长约束长度 L 的编码的仿真证明， 系统的编码增益的确在 K 一定时，随着 L 的增长而逐步提高。 但是其 10e-5dB 时的噪声门限为 9.62dB， 距离频谱效率为 3 的香农限(3.68dB) 为 5.94dB， 所以其频谱效率提高是以损失性能为前提的。2.1.1.3 Turbo+OVCDM 级联编码 Turbo+OVCDM 属于 SCCC 码，在论述 Turbo+OVCDM 之前我们先看下串行级联码 (SCCC)的相关知识，两者作下比较，它有两个分量码编码器经过一交织器串联而成，外面的19华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究称为外码编码器，里面的称为内码编码器。图 2.1-8 SCCC 编码器原理框图根据类似 PCCC 码设计验证原则，可以得到 SCCC 码字设计原则： 1)为了获得交织增益，外码编码器的自由距离应尽可能的大，内编码器应选择递归卷积编 码器。 2)内码编码器的有效自由距离应最大化，以增大输出码重，从而降低 Q(?)取值。 首先考虑 OVCDM 编码作为内码编码器，当输入序列为 BPSK 调制的二进制符号{0，1}时， 可以和传统的卷积码编码器等效，而且是递归卷积码。又因为最佳编码矩阵 B 应保证所编之码有 最大的自由距离d free，且其生成函数多项式前面各项的系数应尽量小。经验证当输入序列为高进制符号时，也是可以获得交织增益的。也就是说 OVCDM 码是 可以作为串行级联码分量码的。其和 Turbo 码级联构成的级联码原理框图如图 2.1-9 所示[19]：图 2.1-9 Turbo 与 OVCDM 级联采用编码矩阵 B= [0.6i 0.5i; 0.0463 + 0.2958i -0.0i];即 K =2，L=2，采用 8PSK 调制符号， Turbo 码信息序列长度
码率，此时谱效率为 4， 仿真基于 AWGN 信道，采用 MAP 译码算法，整个系统译码方法我们称为 Turbo-Ovcdma 二 重迭代软译码，译码原理框图如下图 2.1-10 所示，仿真结果图如图 2.1-11 所示：20华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究线框内表示迭代译码部分，Turbo 码和 OVCDM 码之间相互传递译码信息。Ovcdma符 号 级BCJR 软译码 （ 二重迭代） OFDM解 调 子 载 波 符 号1 迫零调整符号序列 1 接收符号似然函数值计算 符号级BCJR软 译 码OFDM解 调 子 载 波 符 号1迫零调整符号序列 2接收符号似然函数值计算符号级BCJR软 译 码 Turbo迭 代 软 译 码 （ 一重迭代） 比特对数似然比转换 Turbo迭代软译码判决OFDM解 调 子 载 波 符 号1迫零调整符号序列 3接收符号似然函数值计算符号级BCJR软 译 码并 串 转 换OFDM解 调 子 载 波 符 号1迫零调整符号序列153接收符号似然函数值计算符号级BCJR软 译 码 分组串并转换Error bit ~= 0OFDM解 调 子 载 波 符 号1迫零调整符号序列154接收符号似然函数值计算符号级BCJR软 译 码图 2.1-10 Turbo+OVCDM 二重软迭代译码图 2.1-11 Turbo+OVCDM 仿真结果21华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究总结：图 2.1-11 所示的 Turbo+OVCDM 级联码采用软迭代译码时，随着迭代次数增加， 误码率性能得到提高，但是在迭代次数为 9 次的情况下，系统误码率为 10e-5 对应的噪声门 限为 13dB，距离香农限（频谱效率为 4dB 时，香农限为 5.74dB）7.26dB，由于 OVCDM 自 身软译码的复杂性，增加迭代次数将会增加运算量，但是由于分支度量信息中存在冗余信息， 可以采取优化算法，去掉这部分冗余信息。 2.1.1.4 总结 本节总结总结分析了编码技术，目前 4G 系统中热门候选编码技术都是级联编码技术， 如属于 PCCC 的 Turbo 码字，以及具有创新意义的 OVCDM 码，并把二者进行串行级联，产 生一 SCCC 码， 取得了较好的编码性能， 综合上述 Turbo 码性能最高， 可实现距离香农限 0.5dB 的先进性能，Turbo + OVCDM 次之，OVCDM 最差。但是 OVCDM 却有着最高的频谱效率， Turbo + OVCDM 次之， Turbo 码最差。 2.1.2 传输技术 目前热门的传输技术有 OFDM 技术，MIMO 技术，智能天线技术。 2.1.2.1 OFDM 技术 OFDM 技术是 4G 系统的标志性关键技术，其实它已将近出现 50 年，应用到无线通信是 最近 10 年的事情，我们称它是一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想就是在频域内将 给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，多个子载波并行 传输，尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道上进行的是窄带传输， 信号带宽小于信道的相应带宽。OFDM 技术的优点是可以消除或减小信号波形间的干扰，对 多径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率，可以实现低成本的单波段接收机，另外 把信道进行划分，在接收端的一个显著的好处就是使得均衡变得简单，另外还可以获得固有 的优势，就是可以在子载波上灵活的分配功率和速率，以实现最优传输。 4G 通信的一个显著特征就是宽带通信， 这种情况下， 在信道为多径信道情况下(如图 2.1-12 所示)，极易受频率选择性衰落影响，而 OFDM 技术的分割信道的做法，注定其适合宽带无 线通信传输，所以对抗频率选择性衰落，使其具有了得天独厚的技术优势。下面分析下其原 理[20]：22华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究图 2.1-12 多径信道对窄带信号和宽带信号的影响多径信道即是一个时间发散信道，因为多径信道下，各条径到达时间明显不同，这个可以从 图 2.1-12 中看出，用一个线性传输方程 h(t)表示为：h (t ) = ∑ α mδ (t ? τ m )m =0 M ?1（2.21）信道响应 h(t)就是 M 条路径信号的 δ 时延叠加，其中 α m 代表不同路径下信号的瑞利响应，也 就是衰落包络。 τ m 代表路径 m 的时延， m 代表总的路径数，图 2.1-12 中 M=3.由于各条路径 的时延 τ m 不同，根据傅立叶变换性质可知信道传输的频域响应 H ( f ) = F{h( t )} 的幅度将会出 现波动，这种波动将会破环传输的宽带信号，对应于数字通信系统中，如果多径时延相对于 符号周期是可区分的（如式 2.22 所示： ） ，我们称这种信道具有了频率选择性。 τ max ? τ min ≈ Tsymbol = 1 ? (τ max ? τ min ) × ( BW of signal) ≈ 1 BW of signal（2.22）由上式可以看出如果信号带宽 BW of signal 足够小的情况下，时延与符号周期不再具有 可比性（式子 2.23） ，这时我们认为信号带宽较窄，而信道频率响应在这样小的带宽内可以认 为是常量，就是“平坦”的。 τ max ? τ min = Tsymbol = 1 ? (τ max ? τ min ) × ( BW of signal) = 1 BW of signal（2.23）多径信道也是个频率发散信道，接收的信号在时域由于多普勒频移而产生短期的波动如 图 2.1-13 所示，多普勒频域一般是由于发射机或者接收机移动引起的，多普勒效应在时域是 乘性的，这将会引起时域时变，而频域是线性变化[21]，如图 2.1-13 左边描述的两径的多普勒 频移，分别为 ?f 1 和 ?f 2 ，这可以从式(2.24)中看出， 此时暂时忽略两径的传输时延。其中 s(t)23华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究为发送信号， α 为衰落因子。x (t ) = s (t )e 2π?f1t + α s (t )e2π?f2 t =(e 2π?f1t + α s (t )e 2π?f2 t ) s( t)(2.24)这样我们可以看出多普勒频移引起信号的变形，包括时域的时变，还有当信号为宽带信 号时频谱发生变化。定义信道的相干时间为：TC = 1 / ?fmax ，其中 ?f max 为最大多普勒频移，当 多普勒频移和信号带宽可比时，也就是信道的相干时间和符号周期可比时，信道就具有时间 选择性，也就是我们通常所说的快衰落，相反如果二者不具有可比性，则称信道不是时间选 择性的，也就是我们通常所说的慢衰落。 由上述描述我们可以总结出多径信道的传输方程，既具有时间扩散，又具有频域扩散， 二者可以同时存在，我们假设 M 个多径信道子径是可以区分的，其中 fc 为载波频率。h (τ , t ) = ∑ α m em= 0 M ?1 ? j 2 π f cτ m (t )δ (τ ? τ m ( t ))(2.25)其中 2π fc τ m ( t ) 等效于 2π FD t + θm ， FD 是多普勒频率， θ m 是第 m 子径的随机相位。 从上述可以总结出多径信道对传输信号的影响主要包括 3 个方面： 1. 信号包络衰落，主要影响接收信号的强度，进而影响无线系统的衰落容限的链路参数 计算，解决办法主要是采用功率控制和空间分集技术； 2. 频率选择性衰落改变信号的波形，这会影响接收端检测，传统的方法是信道均衡以补 偿信道的这一影响，由式子（2.23）得知，我们可以按照一定规律把宽带信号(信道) 划分为若干窄带信号(信道)，OFDM 正是基于这一思想，下面将会详细介绍其基本原 理和实现方法； 3. 时间选择性衰落，引起信号频谱波动，给功率控制带来难度。解决方法是交织和分集 技术。24华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究图 2.1-13 多普勒效应对信号传输的影响OFDM 系统组成如图 2.1-14[22]所示：输入的 bit 序列完成串并转换后，根据采用的调制方 式，形成调制信息序列 Sn，然后对 Sn 进行 IDFT 变换，计算出 OFDM 已调信号的时域抽样 序列，加上循环前缀 CP(循环前缀可以使 OFDM 系统完全消除信号的多径信道传输造成的符 号间干扰(ISI)和载波间干扰 (ICI))，再作 D/A 变换，得到 OFDM 已调信号的时域波形。接收 端先对接收信号进行 A/D 转换，去掉循环前缀 CP，得到 OFDM 已调信号的抽样序列，对该 抽样序列作 DFT 即得到原调制信息序列 X(N)。图 2.1-14 OFDM 系统框图设 fk (k=1，2，… ，N)为 N 个子载波频率，则一般的多载波已调信号在第 i 个码元间隔内 可以表示成：si ( t ) = ∑ X i ( k, t )exp( j 2π f k t)k =0 N ?1(2.26)其中 Xi(k，t)是信号在第 i 个码元间隔内所携带的信息，它决定了 Si(t)的幅度和相位，一般情25华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究况下它们是只与码元标号 i 相关的复常数，它们携带了要传输的信息 ;例如，若第 k 个子载波 采用 QPSK 调制时，设采用π /4 方式的星座，当第 i 个码元为“00”时，根据码元和星座的X i (k , t ) = 2 (1 + j ) 2 ，为了叙述方便，在只需研究一个多载波信号码元的映射关系可以知道，时候，常常省略码元标号 i，而当子载波采用普通(非波形形成)的 QAM 或 MPSK 调制时， X i (k , t ) 与 t 无关， 从而可将 X i (k , t ) 简写成 X(k)， 根据上下文这样不会产生歧义， 这样式子(2.26) 就可以写成s( t ) = ∑ X (k )exp( j 2π f k t )k =0 N ?1（2.27）这个式子实现和 DFT 变换式子很相似，如果可以利用 DFT 实现式子(2.27)，则就可以通 过 FFT 变换实现 OFDM 调制，这就是说传统的 FDM 需要满足一定的条件下才能实现 OFDM 调制，下面对其要满足的条件进行推导。 在暂时不考虑噪声和失真的情况下，我们考虑在接收端对信号进行解调，首先要对接收 信号以抽样率 Fs 进行抽样，利用 DFT 对抽样信号进行解调，利用 N 点 DFT 可以计算出信号 的第 k 个频谱分量为：S ( k?f ) = ∑ s ( n / f s )exp( ? j 2π nk / N )n =0 N ?1(2.28)S ( k? f ) 是第 k 个频谱分量；s( n / fs )( n = 0,1,2,..., N ? 1) 是抽样信号；?f = f s / N 是 DFT 的分辨率。为使 DFT 计算出频谱，信号必须在 N 点抽样以外周期性重复，当信号只含有该 DFT 的 谐波成份时，条件就能满足。将 t=n/Fs 代入式子 (2.28)时，得：s( n / f s ) = ∑ X ( j )exp( j 2π f j n / f s )j= 0N(2.29)然后将(2.29) 代入(2.28)得S ( k?f ) = ∑∑ X ( j )exp( j 2π f j n / f s )exp( ? j 2π nk / N )n =0 j =0 N ?1 N ?1=∑ X ( j ) ∑ exp( j 2π f j n / f s )exp( ? j 2π nk / N )j= 0 n =0N ?1N ?1(2.30)=∑ X ( j)δ (j= 0N ?1fj fs?k ) N26华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究?0, m ≠ n kf δ （ｍ，ｎ）＝ ? fk = s 1 m = n ? N 时，就有 其中： 观察上式可以发现，当多载波已调信号的频率S ( k?f ) = CX (k ) ，其中 C 为常数，就是说当各子载波的频率为解调用的 DFT 分辨率整数倍时，可以用 DFT 对信号完成解调。从以上分析可知，为保证正确解调， X 在一个码元间隔 内保持为常数是必要的，如果子载波的 QAM 或 MPSK 调制采用了波形成形技术，如采用 余弦滚降波形，采用 DFT 解调时还要作专门的处理，以保证采样周期内的采样正确性。 由以上分析，当各子载波的频率为解调用的 DFT 分辨率整数倍时，可以用 DFT 对多载 波已调抽样信号完成解调。特别地，当子载波的频率间隔为 f s / n 时，由式（2.29）有 :s( n / f s ) = ∑ X ( k )exp[ j 2π (kf s / N) / fs ]k =0N ?1=N ?1 k =0∑ X (k )exp[ j2π n / N ](2.31)上式恰为 X(k) (k=0， 1， 2， …， N-1)序列（以后我们将该序列简记为 X(N)） 的 IDFT （Inverse Discrete Fourier Transform） ，即当子载波频率间隔为 Fs/N 时，多载波已调信号的时域抽样 序列可以由 IDFT 计算出来。 由于携带信息的序列 X(N)恰为多载波已调信号抽样序列的 DFT， 所以我们说， 采用 FFT 实现的多载波调制系统的调制是在频域上进行的。 由以上分析可知，多载波调制系统的调制可以由 IDFT 完成，解调可以由 DFT 完成， 由数字信号处理的知识可以知道，IDFT 和 DFT 都可以采用高效的 FFT 实现。 接下来分析 OFDM 系统的时间离散系统模型 OFDM 时间离散系统模型与时间连续系统 模型相似，如图 2.1-15 所示[23] ：27华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究图 2.1-15 OFDM 时间离散系统模型OFDM 信号 s(n) 通过时变多径信道，设信道衰落比较缓慢，在一个 OFDM 符号间隔内，信道 的冲击响应不变，记为 g(n)，则 OFDM 接收机收到的信号 r(n) 为：r (n ) = s ( n) * g( n) + N (n )(2.32)其中 N (n) 为复白高斯噪声，其中 “ *” 表示离散序列的(线性)卷积运算。循环前缀 CP 使得 s( n) 成为 s1 (n ) 的循环扩展，根据数字信号处理的知识，当 CP 得长度大于或等于 g (n ) 的长度时， 去掉 r (n ) 的循环前缀后所得 r1 (n ) 为： r1 ( n) = s1( n) ? g ( n) + N1( n) 根据 DFT 的时域卷积定理， r1 (n ) 经过 FFT 后的输出 y(n)为：y (n ) = DFT {[ IDFT ( X (n )] ? g (n ) + N1( n)} =X(n) ? DFT[g(n)]+N1 (n ) =X(n) ? G(n)+N 1 (n )(2.34)~(2.33)其中 G(n)是信道的频域响应，通过简单的均衡就可以消除其影响，提取出所传输的数据 X(n). 总结起来，CP 的作用有两个:1.将线性系统对离散序列的卷积作用变成循环卷积，此时需要 CP 的长度大于信道冲击响28华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究应的长度，这时可以利用 DFT 解卷积。2.在一定条件下，结合均衡的作用，CP 可以用于消除 ISI 和 ICI。另外在发送端还需要脉冲成型滤波器，这是因为时域有限信号在频域具有很大的旁瓣， 而输入的经过调制的离散符号序列形成的矩形时间窗产生的旁瓣会溢出其有效带宽，这可以 从图 2.1-16 所示的 OFDM 频谱图[24] 中看出，这将会形成严重的 ICI(inter carrier interference)， 这样一个有效的方法就是使用脉冲成形技术，减小信号频域旁瓣，以降低 ICI。图 2.1-16OFDM 信号频谱图另外为了减小 OFDM 符号间(CP + 子载波)的干扰，会将一 OFDM 符号两端的子载波留 作插入虚拟子载波，即不进行调制。这可以从图 2.1-17 中看出[25] ：图 2.1-17 带有虚拟子载波的 OFDM综上所述：29华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究OFDM 的优点有： 1.高频谱效率：从 OFDM 信号频谱图可以看出其各个子信道的载波相互正交，它们的频 谱是相互重叠的。 2.易于实现：这主要得益于 FFT 和 IFFT 技术的应用，每个 OFDM 符号的运算次数数量 级为 NlogN ，明显小于带均衡器的单载波系统的 Nle ，其中 le 为均衡器抽头系数。 3.能抵抗衰落和干扰： OFDM 能有效的抵抗频率和干扰，在具备信道信息和使用最大似然 检测的情况下具有鲁棒性，即可用于任何信道或干扰情况。 OFDM 的缺点： 1.对频偏的敏感性：当时偏超过循环前缀长度时，由 116 式可知，频偏将会引起相互之间 的载波干扰，这就是 ICI(inter carrier interference)，可以看出 ICI 和子载波间隔，FFT 长度， 和调制方式相关。解决办法就是采用良好的同步措施，对时偏进行估计。 2.较高的峰均比：这是由于 OFDM 信号时不同频率的调制低速率数据流的叠加，它的时 域动态范围随着子载波数增加，这可以从 OFDM 时域信号波形中观察出来。较高的峰均比 (PAPR,peak-to-average power ratio)对 AD 和 DA 尤其是功放的线性度提出较高的要求。 解决办 法如采用单载波 SC-FDMA。2.1.2.2 MIMO 技术 MIMO 技术最早是由 Marconi 于 1908 年提出的，它利用多发射，多接收，天线进行空 间分集。充分利用空间传播中的多径分量，所以能够有效地将链路分解成许多并行的子信道， 来增加容量。其原理示意图如图 2.1-18 所示[26] ：图 2.1-18MIMO 原理示意图输入信息流经过处理，通常是空时编码，形成 N 个信息子流，这 N 个子流由 N 个天线 发射出去，经空间信道后由 M 个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够30华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究分开并解码这些数据子流，从而实现最佳处理。所以当这 N 个发射信号可以占用同一频带， 可以在未增加带宽的情况下，提高频谱效率，更理想的情况，当这个 N 个发射信号的传输信 道独立的情况下， 则 MIMO 系统的这 N 个信道为独立并行信道， 数据率可以进一步得到提高。 MIMO 技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，而我们知道空间复用技 术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。通常多 径要引起衰落，因而被视为不利因素，但对于 MIMO 来说，多径可以作为一个有利因素加以 利用。MIMO 技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径衰落影响因素变成对用户通信 性能有利的增强因素，MIMO 技术有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高 业务传输速率，因此能够在不增加信号带宽的前提下使无线通信的性能改善多个数量级。 假设发送端有 N 个发送天线，接收端有 M 个接收天线，在收发天线之间形成 M×N 信 道矩阵 H? h11 ?h ? 21 ? M ? ? hM 1h12 L h1N ? h22 K h2 N ? ? M M ? ? hM 2 K hM 2 ?(2.35)其中 H 的元素是任意一对收发天线之间的增益，假定信道为独立的瑞利衰落信道，则信道容 量 C 近似为： C = (min( M , N ) * B log 2 ( SNR /2)) (2.36)其中 SNR 为平均信噪比， B 为信号带宽.从上式可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增 大而线性增大，也就是说可以利用 MIMO 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天 线发送功率的情况下，频谱效率可以成倍的提高。 基于上述分析，可以总结出 MIMO 系统的优点： 1. 降低了码间干扰。 在移动通信空间无线信道中， 由于多径效应等原因造成的码间干扰。 在 MIMO 系统中，高速的数据流经过串并转换为多个低速的数据子流，抗码间干扰 能力随着码长度增大而增强。 2. 提高了空间分集增益。由于 MIMO 系统中发射或者接收端的多个天线中，各个天线 之间有足够的隔离度， 各空间信道的相关性很小， 因此能够提供更高的空间分集增益。 3. 提高了无线信道容量和频谱利用率。MIMO 将多径无线信道与发射，接收视为一个整 体进行优化。从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联 合的分集和干扰对消处理。 另外 MIMO 与 OFDM 技术相结合被视为下一代高速无线网的核心技术， 这是因为 MIMO31华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究技术在一定程度上可以抗多径衰落，但是对于频率选择性衰落，MIMO 系统依然是无能为力。 目前解决 MIMO 技术中的频率选择性衰落的方案可以结合 OFDM 技术，将频率选择性衰落 转换为载波上的平坦衰落，这样形成的 MIMO+OFDM 可以实现优势互补，图 2.1-19 即为其 系统框图[26]：图 2.1-19MIMO-OFDM 系统框图2.1.2.3 总结 本文总结了 4G 关键技术中的传输技术，包括 OFDM，MIMO ，及其二者结合。OFDM 技术是 4G 系统标志性技术，它把宽带通信信道进行合理分割分配，从而实现抗频率选择性 衰落。MIMO 充分利用空间资源，实现分集增益。 2.1.3 多址技术 多址技术是指处于不同地点的多个用户接入一个公共的传输媒质实现各个用户之间相互 通信的技术. 在移动通信中就是多个用户通过共用的电磁波频带实现相互连接进行通信的技 术，4G 系统需要支持大容量，大数据量，更重要的是高质量的接入技术，目前趋势是采用 OFDM 或者多载波码分多址(MC-CDMA)。 2.1.3.1 OFDMA 技术 在设计宽带 OFDM 系统中需要解决的问题之一是多址接入问题， 所以把 OFDM 技术和现 存的多址技术结合起来是不错的选择，比如文献 [28] 描述的 OFDM 和 TDMA 结合构成32华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究OFDM-TDMA，文献[29]描述的把 OFDM 和 FDMA 结合组成的 OFDM-FDMA，文献[30]描述的 OFDM 和 CDMA 结合构成 MC-CDMA，文献[31] 描述的 OFDM 与基于多天线阵列系统的空分 多址技术结合形成 OFDM-SDMA. 上述方法都是把 OFDM 和传统的多址接入方法结合，而根据子载波间正交的特性，可以 把不同的子载波分配给不同的用户同时使用，这在文献[32] 中有详细描述，并称之为正交频分 多址接入（OFDMA）技术，在 OFDMA 技术中，每个用户分配一个子载波，所以 OFDMA 可以消除用户间的多址接入干扰(MAI). OFDMA 的发射端框图如图 2.1-20 所示[33]：图 2.1-20 OFDMA 的发射端框图OFDMA 继承自 OFDM，只是比 OFDM 要多增加子载波映射单元，所以 OFDMA 继承了 OFDM 的抵抗频率选择性衰落的优点，另外 OFDMA 在无线资源分配利用方面具有效率高和 灵活的特点，这主要得益于 OFDMA 灵活的分配子载波分配策略。常见的 OFDMA 子载波分 配方式有基于子频带和交织分配两种，如图 2.1-21 所示：33华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究图 2.1-21 OFDMA 子载波分配框图子载波分配机制是影响 OFDMA 性能的[34]，衡量分配性能好坏的一个指标就是分配给同 一用户的最小频率距离，这会影响系统的抗衰落性能，具有较大的用户最小频率距离的分配 机制在这方面是有优势的，图 2.1-21 中我们看出采用交织方式的 OFDMA 具有较大的用户最 小频率距离，所以抗深衰落性能较好。 2.1.3.2 IDMA 技术 IDMA 技术最早是由香港中文大学李平教授提出的[36]，它的出现背景是对 turbo 类型的 CDMA 系统的多用户检测技术进行研究，涉及到了交织器在多址接入技术系统中作用，传统 的 CDMA 技术是对把交织器放在扩频器前面，这只有在和信道编码结合起来后才能起作用， 而文献[35]最早提出了码片级交织概念，即把交织器放在扩频器后面，以用于抑制多径衰落环 境下的符号间干扰。 在文献[36]一文中提出了 IDMA 的交织概念，即在所有用户采用相同扩频序列的情况下， 通过使用不同的交织器区分用户，也可以把不同的交织序列看做区分用户的码字，从这点讲 IDMA 就是特殊的 CDMA，并且 IDMA 在高负载情况下表现出色。 IDMA 系统框图如图 2.1-22 所示[37]：34华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究图 2.1-22 IDMA 系统框图假设一具有 K 个用户的扩频通信系统，其发射端和接收端原理框图如图 2.1-22 所示，首 先看发射端第 k 个用户的发送符号序列(长度为 N)是 d ( k ) ，符号可以是 CDMA 常用的调制符 号序列，接着把符号序列送入扩频器扩频，设扩频序列长度为 S ， 另扩频后的序列为{c (jk ) , j = 1,2,K , J }, J = N * S 为帧长度。扩频后的序列经过码片级交织器 π ( k ) 交织，产生发送序列 {x (jk ) , j = 1,2,K , J } ，在使用交织序列区分用户的情况下，就可以使 K 个用户使用相同的 扩频序列。IDMA 继承了 CDMA 的使用分集抵抗衰落和抑制相邻小区用户干扰的优点。 IDMA 接收器如图 2.1-22 下半部分所示：为了简单化处理，我们假设信道为一时变单径 信道，j 时刻接收信号为：r j = ∑ h x j + n j , j = 1,2, K J( k ) ( k) k =1 K(2.37)这里 x (jk ) 代表 j 时刻的发射码片，h ( k ) 代表第 k 个用户的信道衰落因子， 且可为实数或复数，n j 代表均值为 0，方差为 σ 2 = N0 / 2 。 逐码片迭代接收器是由一个原始信号估计器(ESE)和 K 个单用户 turbo 型后验概率译码35华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究器，用于解扩操作， ESE 进行初级的逐码片估计，现在为了更简单的说明问题，假设发射码 片符号为{+1，-1}，可以求出 j 时刻发射符号的对数似然比值如下式所示：(2.38)对于用户 K， 相应的 ESE 输出 {L( x (jk ) ), j= 1,2, K,J} 经过解交织后为 L( cik ), j = 1,2, K, J } ，输入到第 k 个用户的 DES 单元，现在我们先看和发射序列中的第一个符号 d1( k ) 相关的码片， 显然为d1( k ) s( k ) = {c(jk ) , j = 1,2,K S}, s ( k ) = {s (jk ) } ，DES 单元根据式子(2.39)计算出发送符号 d1( k ) 的似然比值 L( d1( k ) ) 。码片 c (jk ) 的外部 LLR 定义为：36华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究? Pr(c (jk ) = +1| r ) ? (k ) Ext ( c ) ≡ log ? ? L( c j ) ? Pr(c ( k ) = ?1| r ) ? ? j ? ?(k ) j(2.40)可以发现如果 s (jk ) = d1( k ) 且 c (jk ) = ?1 ，则 c (jk ) = +1 否则。于是又有(k) (k) (k ) Ext ( c k j ) = s j L( d1 ) ? L( c j )(2.41)这样得到 c (jk ) 的外部信息 Ext ( c(jk ) ) 后，经过交织得到 Ext ( x (jk ) ) ，输入 ESE 单元更新 x (jk ) 的统计 信息，均值和方差，从而使 ESE 单元输出新的 x (jk ) 的 LLRs L( x(jk ) ) 。形成迭代，当完成规定次 数的迭代后，即可在 DES 单元根据 L( d1( k ) ) 判决输出 d ( k ) 的硬判决信息，从而译码输出。 图 2.1-23 是在瑞利衰落信道下，采用 BPSK 调制，数据长度为
个用户的情况 下，IDMA 仿真性能图。从图中可以看出随着用户数增多，IDMA 性能下降。图 2.1-23 IDMA 仿真结果图2.1.3.3 OVCDMA 技术 我们在 OFDMA 一节中讲过 OFDM 与传统的码分多址结合的方式，此节要论述的 OVCDMA 就是 OFDM 和 CDMA 结合的多址技术。 4G 系统中 OFDM 是由并行的窄带系统组成，本身的抗衰落能力很差。但是这个缺点可 由编码加交织弥补。由于其信号的平均时间带宽积能够逼近于 1，相对单载波系统更容易利 用高阶调制实现高频谱效率，所以目前得到了业界的普遍青睐。相反，传统 CDMA 虽然是 宽带系统，本身的抗衰落能力很强。但由于它是一个强自干扰系统，只能采用 QPSK 而不能37华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究采用高阶调制实现高频谱效率， 但 CDMA 可以实现同频组网， 这点对提高频谱效率意义显著。 而传统 CDMA 仅仅是丧失编码增益的正交条件下的特殊波形分割多址， 并不是真正意义 的波形分割多址，传统的把 CDMA 和 OFDM 结合起来， 对此问题北京邮电大学李道本教授提出了全新的 OVCDMA 理论[38]，使得 OFDM 和 CDMA 完美结合，实现了 OFDM 系统的同频异步组网，同时李道本教授还指出，理论上实现 的最佳地址用户波形的多用户联合检测可以解决异步 OFDM 系统的同频组网问题。但实际上 会遇到如下问题： 1）多用户联合检测的地址用户不但数量是未知与随机的，而且接入时间与信号功率也是 随机的。该问题对独立时钟的异步系统更为突出。 2）最佳用户波形与地址数与相对时延有关。在地址数与相对时延随机的实际系统中，求 解最佳地址波形无从着手！ 3）未来系统必须与 IP 网络连接，当用户移动到小区边沿时，若其数据包未发送或接收 完，一般是不允许切换的，否则很容易发生数据包丢失现象。因此，个别用户甚至当已经很 深入到相邻小区内部后，仍希望与原小区保持通信。 因此，如何解决在强干扰环境下的异步、未知地址数的多用户检测问题就成了一个必须 解决的重要问题。它把多用户检测的压力从小区之间转化为小区内部，即使对异步系统，相 邻小区之间的信号也绝对没有干扰，从而解决了上述矛盾。 OVCDMA 利用不同扩展广义互补正交码组对任何相对移位的互相关函数均为 0 的特点， 解决异步同频组网问题，同时对扩展广义互补正交码组实施重叠复用一方面将每个小区码组 的码字利用率大幅度提高，另一方面又提供了相当高的编码增益。使组网系统的容量与频谱 效率远高于单小（扇）区，向多用户界逼近。 互补的定义[38]是指两个同类运算叠加，即相辅相成后的结果满足某种特定需求，而广义 互补则是指多个同类运算叠加后的结果满足某种特定需求，下面论述其基本原理： 完备互补正交码对偶 ( Perfect Complete Complementary Orthogonal Code Pairs Mate ):% k = C [ + ] S ，k = 0,1 这里 b % k = [b % k ,0 , b % k ,1 ,L, b % k ,N ?1 ] ( k = 0,1) ， b %k = C + S =1 b k k 0 k k(2.42)% k ( k = 0,1) 内或之间在作相关或其它运算时， 其中 C 与 S 分量 符号[+]表示互补相加 ，即 b码是分别进行的，两分量码之间不允许有相互运算，但两个运算结果相加。 定义：完备互补正交码对偶的定义是其非周期自相关函数与互自相关函数在互补的意义38华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究上是完全理想的，即H H H %k b %k b (2.43) ' (l ) @ Ck C k ' ( l) [ + ] S kS k ' ( l ) = δ kk 'δ (l ), k , k ' = 0,1其中% k ,0 , b % k ,1 ,L, b % k ,N ?l ?1 ] l ≥ 0 ? [0,0,LL,0, b 0 1 4 2 4 3 ? l ? % k (l) @ ? b % % % L3 ,0] l ≤ 0 ?[ b k , l , b k , l +1, LL , b k ,N 0 ?1 ,0,0, 1 4 24 l ? ? l = 0,1,L, N 0 ? 1% k 的非周期 l 移位码矢量。从互补意义上讲，完备互补正交码对偶中每一对的非周期自 表示 b相关函数以及两对之间的非周期互相关函数都是理想的。理论与遍搜索已经证明，对于任一 互补码对（ C1 ， S1 ） ，只存在一个与之配偶的互补码对（ C 2 ， S2 ） ，且它们满足如下关系：* ? C 2 = a S1 ; S2 = a C1 ;这里： * 表示复数共轭；a 为任意复常数。 ? @ ? ? ，? 表示 ? 的倒序列（从尾部到头部） 完备广义互补正交码组 [38]( Perfect Complete Generalized Code Groups)表示为 : Complementary Orthogonal%k = b % k ,0 [ +] b % k ,1 [ + ]L[ + ] b % k ,K ?1 b其中：' % k ,k ' = [b %k % k' % k' b k (0 ), b k (1), L , b k ( N 0 ? 1)],(2.44)k , k ' = 0,1,L, K ? 1%k 其中各分矢量都是归一化 N 0 维码矢量，即 b码组可由完备互补正交码对偶扩展生成。 定义：完备广义互补正交码组的定义是的非周期自相关函数与互自相关函数在广义互补 的意义上是完全理想的，即H %k b %k % %H % %H % %H b ' (l ) = b k ,0 b k ',0 ( l ) [ +] b k ,1 b k ',1 (l ) [ + ]L [ + ] b k ,K ?1 b k ',K ?1 (l )2%k b % kH = % k ,k ' =b ∑ bk '= 0K ?12= 1, 完备广义互补正交(2.45)= δ k . k 'δ ( l ),39华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究k , k ' = 0,1,L, K ? 1,l = 0,1,L, N 0 ? 1把广义互补正交码组和 OVCDM 一节所讲的扩展矩阵进行结合， 形成扩展广义互补正交 码组。这样既能实现同频，又能实现重叠，从而实现组网的高频谱效率。 扩展广义互补正交码组( Expanded Generalized Complementary Orthogonal Code Groups )的 定义是：% k (a %0 ) ? ? b ? % % ? ° k (A ° ) @ ? b k (a1 ) ? = b % k ,0 ( A ° ) [ +] b % k ,1 ( A ° ) [ + ]L [ + ] b % k ,K ? 1 ( A °) B ? ? M ? ? % % ? ? b k ( a Arow ?1 ) ? ?其中：(2.46)% k ,k ' (A °) @ b % k ,k ' ? A ° b' % k ,k ' = [b %k % k' % k' b k (0 ), b k (1),L , b k ( N 0 ? 1)]为互补码的分量码。则扩展广义互补正交码组仍有 K 组码，但组的尺寸增大了 Arow (扩展矩阵的行数)倍，系统的 容量将随之提高 Arow 倍。其特色是不同扩展广义互补码组间（不同 k 间）的非周期互相关函 数对任何相对移位 l 仍然是理想的，即[38]:%k[% % Tk' [a % m' ( l )] ≡ 0, ?k ≠ k ', ? m, m ' ， k , k ' = 0,1,L, K ? 1, m , m ' = 0,1,L , A ? 1 b am ]b row(2.47) 但同一（ k = k ' ）广义正交互补码组内（相同 k ）的自相关函数与互相关函数不再具有理想 特性，它们决定于扩展矩阵各行的自相关与互相关函数的性质。若利用重叠复用原理把相对 移位为 N / K 的移位码组也作为组内码使用，即最大有 K 组码重叠在一起，则大组内码数与 系统容量将再次增加 K 倍。系统容量较使用原始采用广义正交互补码组总共提高了 K Arow. 倍。特别是当 K = N ，即每次移位一个码片时，系统容量较使用原始采用广义正交互补码组 （即既无扩展又无重叠复用）总共提高了 Arow . Acol N 0 倍。我们称这种重叠复用新技术为 OVCDMA。其框图如图 2.1-24 所示[38] ：0 000040华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究图 2.1 -24OVCDMA 技术原理框图这样扩展广义互补正交码组有 K 组正交互补码组。 不同码组间任一对码都具有理想的互 相关特性，即它们的互相关函数对任何相对移位都为 0。这个特性对于小（扇）区组网与重 叠复用极为有利，因为若把它们的移位重叠复用序列分别放置于不同的相邻小（扇）区，就 决不会出现相邻小（扇）区间的干扰！而重叠复用又可将每个小（扇）区的码字利用率大大 提高。每个小（扇）区则将其自己的组内码（含移位重叠码）作为地址码使用，这些地址码 的自相关与互相关特性虽然一般不再理想（酉扩展矩阵例外） ，在译码时不得不采用最大似然 多码联合检测方式解决。 由于扩展广义互补正交码组，无论组间或组内，它们的 K 个分量码在运算时是不能相遇 的，且在传输过程中应具有同步的衰落特性。为此除了可将它们分别安排在时间平坦衰落的 前后 K 个时间段上以外，也可安排在 OFDM 系统中频率平坦衰落的相邻的 K 个正交子载波 频率上，本论文主要考虑后者。 K 个分量码分别安排在相邻 K 个频率平坦衰落的正交频率上， 意味着 K 个分量码 “ 不相遇 ” ，K 个相邻正交子载波频率平坦同步衰落意味着 K 个分量码间 的广义正交互补性即使在随机时变信道中也仍能被保持。 2.1.3.4 总结 这一节讲述了多址技术，包括 OFDMA 技术，它继承了 OFDM 的抵抗频率选择性衰落 的优点，而且通过子载波分配策略实现了多址和提高资源利用效率的目的；另外还讲述了具 有前景的 IDMA 和 OVCDMA 技术，IDMA 技术做了原理性验证，接着下面章节将利用 OVCDMA 技术进行同频组网验证。 2.2 准 4G 系统 国际电信联盟（ITU）无线部门于 2006 年正式将 B3G 技术命名为 IMT-Advanced 技术，41华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究并于 2008 年 2 月发出通函，向各国标准化组织征集 IMT-Advanced 技术提案。我们一般理解 IMT-Advanced 技术提案下的技术标准为 4G 技术， 4G 定位于更高的数据速率和更大的系统容 量， 峰值速率目标为： 低速移动、 热点覆盖场景下 1Gbit/s;高速移动、 广域覆盖场景下 100Mbit/s. 2.2.1 LTE LTE(Long term evolution)是 3GPP(the 3rd Generation Partnership Project)的长期演进计划 标准[39]，名为“ 演进 ” （ Evolution） ，实为 “ 革命 ” （ Revolution） ，3G 系统采用的核心技术大部 分没有被沿用，转而采用了大量的创新型技术包括正交频分复用的射频接收技术，以及 2×2 和 4×4 MIMO 的分集天线技术规格。同时支持 FDD（频分双工）和 TDD（时分双工） ，以及 和崭新的系统设计。LTE 是 GSM 超越 3G 与 HSPA 阶段迈向 4G 的进阶版本，这可从图 2.2-1 中 3GPP 的演进计划图中看出。LTE 包括 R8 与 R9 两个版本标准. 3GPP 自 2004 年 11 月启动 LTE 项目以来， 3GPP 以频繁的会议全力推进 LTE 的研究工作。 仅半年就完成了需求的制定，在 2006 年 9 月完成了研究阶段（ Study Item，SI）的工作，2008 年底基本完成工作阶段（Work Item，WI）的标准制定工作，形成了 LTE 标准的第一个完成 版本― ― R8 版本。截至 2009 年 3 月，LTE 的核心标准基本趋于稳定，虽然不断还有细节性 的更新，但对设备开发已经影响不大。但射频和终端测试方面的规范尚没有完全完成，对 LTE 系统、终端的研发和测试还有一定影响。 从 2009 年初开始，3GPP 开始 LTE R9 的标准化工作。R9 将是一个 “ 较短 ” 的版本，预计 2009 年底完成。除了对 R8 进行修订的同时，R9 也将基于 LTE 核心标准进行一定的增强和应 用性扩展，比较重要的工作包括： (1) 双流波束赋形：即在 R8 LTE 采用的单流波束赋形（ Beamforming）基础上和空间复 用技术相结合，扩展到双流波束赋形，提高峰值速率。 (2) 基于 LTE 的定位技术：即基于 LTE 标准的基站定位（Positioning）技术。 (3) 基于 LTE 的家庭基站技术：LTE 核心标准对家庭基站（ Home eNodeB）已经作了初 步的考虑，但还有很大优化空间。R9 将针对家庭基站对 LTE 标准进行进一步优化。 LTE 的长期演进[40]― ― LTE-Advanced 技术(R10 版本)的研究阶段工作也在紧锣密鼓地进 行， 基于这项研究， 3GPP 将在 2010 年 10 月向 ITU 提交 IMT-Advanced 候选技术提案。 在 LTE 核心标准基础上， LTE-Advanced 将在载波聚合（ Carrier Aggregation）技术，协同多点（ CoMP） 技术，中继（Relay）技术，上行 MIMO 技术几个方面采用技术增强。42华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究图 2.2 -13GPP 的演进计划图LTE 物理层技术主要是向空域和频域扩展，因此采用了 OFDM 和 MIMO 技术，其框图 为如图 2.2-2 所示[40] ：图 2.2-2LTE 上下行物理链路原理框图备注：下行采用了多天线技术时，还需要层映射。上行为了抑制峰均比和减小对用户间同步的较高要求，采用了单载波频分多址接入 (SC-FDMA)技术，而下行采用 OFDM 技术，但未采用功率控制技术。在干扰抑制方面，上行 采用基于高干扰指示(HII， )和过载指示(OI)信息的 ICIC 方案。 上行支持的数据调制包括 BPSK、 QPSK、8PSK 和 16QAM，下行支持 QPSK、16QAM 和 64QAM ，主要参数见表 2.2-143华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究表 2.2-1 LTE 主要参数表[39]总结起来 LTE 的关键特征如下[39][40]： 高频谱效率 ― 下行链路采用 OFDM 技术，能有效的抑制多径干扰 & 可使用不对称信道 & 可使用 MIMO 技术 ― 上行采用 Single-Carrier FDMA 技术，低峰均比，用户之间在频域正交 ― 多天线技术应用 低的时延 ― 建立时间短，传输时延小 ― Short HO latency a Short TTI, RRC procedure, Simple RRC states 支持不同的带宽 Support of variable bandwidth ― 1.4, 3, 5, 10, 15 and 20 MHz 简单的协议结构 Simple protocol architecture ― 基于共享信道 Shared channel based ― 仅利用 VoIP 容量实现 PS 模式 结构简单 ― E-UTRAN 节点仅包括 eNodeB 与早期的 3GPP 版本兼容 与其他系统如 cdma2000 兼容 支持 TDD 与 FDD 双工模式 有效的多播/广播 Efficient Multicast/Broadcast ― 通过 OFDM 技术实现单频网络44华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究支持自组织网络操作 但同样 LTE 也同样面临技术挑战，OFDM 和 MIMO 系统给 LTE 系统带来了空前充裕的 四维空间资源― ― 频域、时域、码域和空域，在 4 个纬度上均可进行灵活的调度和自适 应，使 LTE 系统蕴含了更强大的技术潜力，但能不能用好这些资源，管好这个灵活的系 统，是一个需要解决的问题。 2.2.2 UMB UMB(Ultra Mobile Broadband )超移动宽带是 CDMA2000 系列标准的演进升级版本，可升 级至 20MHz 的带宽，可在现有或新分配的频段中部署，它也是基于正交频分多址接入 (OFDMA)的解决方案，引入了复杂的控制与信令机制、有效的无线资源管理 (RRM) 、自适 应反向链路 (RL) 干扰控制以及包括多输入多输出 (MIMO)、 空分多址 (SDMA) 和波束赋形 等的多天线技术。图 2.2-3 为 UMB 上行链路系统框图[41]：图 2.2-3 UMB 上行链路图从图中可以看出 UMB 上行接入多址技术可以使用传统的 CDMA 或者 OFDMA 技术。 UMB 使用 OFDMA 技术，这消除了 CDMA 技术的很多弱势，包括“呼吸”效应，减小了通 过微小蜂窝实现扩容的难度，以及因使用固定带宽而减小了手持设备可用带宽的问题。 3GPP2 目前已经完成了超移动宽带解决方案 UMB，从 2006 年开始 3GPP2 征集候选技 术开始，该方案的制定和完善历时一年半多，之后 UMB 开始为 IMT-Advanced 系统做准备工 作， 提出了一系列新技术如中继 relay， 反向 MIMO ， 网络 MIMO 等， 但 2008 年 11 月， Qualcomm， 也就是 UMB 的首要支持者，宣布中止发展 UMB 技术，这对 UMB 技术的发展极为不利。 UMB 的提出和设计主要是为了满足市场的长足发展，大幅度地提供系统性能，保持相 对于其它技术的竞争力。 UMB 解决方案全方位地提供先进的移动宽带服务，它可以在经济 地提供低速、低时延的语音业务的同时有效地提供超高速、非时延敏感的宽带数据通信业务。45华侨大学硕士学位论文4G 无线通信系统关键技术研究为支持无缝接入，UMB 还支持与现有 CDMA20001X 和 1xEV-DO 系统间进行跨系统间的无 缝切换。 UMB 解决方案主要有以下几个特征，包括： 高速数据传输：在移动环境下，系统基于 20 MHz 传输带宽下载和上传的峰值速率分别 可以达到 288 Mbps 和 75 Mbps。 增强的数据容量：在包括固定、步行以及超过 300 公里/小时的高速移动环境环境下均 可提供大容量的语音和宽带数据服务。 低时延：空中平均时延为 14.3 毫秒，支持 VoIP、一键通和其它时延敏感的应用。 增强的 VoIP 容量：在移动环境下，系统单扇区、20 MHz 传输 带宽下仍可以允许多达 1000 个 VoIP 用户同时使用语音服务，同时不会降低并发数据服务的吞吐量。 覆盖范围广：大面积的广域网 (WAN) 覆盖与现有的蜂窝网络相当，可以提供无缝漫游 的广域覆盖或者基于热点区域的部分覆盖。 完全移动性支持： UMB 设计的各方面均考虑移动性支持，支持用户的无缝切换。 融合接入网络：支持融合接入网 (CAN) 的部署，融合接入网 (CAN) 是 3GPP2 正在 开发的一种先进的基于 IP 的无线电接入网 (RAN) 架构， 以支持多种接入技术和先进的网络 能力，例如增强的 QoS，具有更少的网络节点和更低的时延。 组播：支持具有丰富多媒体内容的高速组播。 灵活部署：系统可在 1.25 MHz 和 20 MHz 间以约 150 kHz 的频率增量灵活部署，支持 频段包括 450 MHz、700 MHz、850 MHz、1700 MHz、1900 MHz、 MHz (AWS)、
MHz (IMT) 和 2500 MHz (3G 扩展 ) 。 2.2.3 WiMAX WiMAX(World Interoperability for Microwave Access， 即全球微波接入互操作性)是一种基 于 IEEE 802.16-2004 标准的宽带无线技术，WiMAX 建立在 IP 技术之上，顺应了宽度移动化 发展大势，有着众多其他无线通信技术所不具有的优势。 WiMAX 相关的技术标准研究主要集中在两个组织： IEEE 802.16 和 WiMAX 论坛。 IEEE2.16 主要负责空中接口物理层（PHY）和媒质接入控制（MAC ）层标准以及相关管理 信息库（