Turbo码在无线移动通信中的应用Word文件下载.docx

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他玩造车,k'

2003年第l期文章编号：

1001-893X（2003）01-0097-05研究与开发RESEARC'

H&

DEVELOPMENTTurbo码在无线移动通信中的应用＃王艳琴梁钊（五邑大学信息科学研究所，广东江门52佣20）摘要：

首先分析了Turbo码的基本编、译码结构与原理，然后探讨了它在无线移动通信系统中的几个具体应用。

关键词：

移动通信；

Turbo码：

INMARSAT;

CDMA多用户检测中图分类号：

TN929.5文献标识码：

AApplicationofTurboCodesinRadioMobileCommunicationWANGYan-qin,LL川GZhao（InstituteoflnfonnationScience,WuyiUniversity,Jiangmen529020,China）Abstract:

TI1ebasicprinciplesandstructureofcodinganddecodingofTurboCodes盯einstroducedinthispaper.咀enitsapplicationinradiomobilecommunicationsystemsisdiscussed.Keywords:

Mobilecommunication;

Turbocodes;

CDMAmulti-userdetection

一、引香农（C.E.Shannon）在1948年发表的《通信的数学理论》手fl1957年发表的《适开门工有扰信道的编码理论某些成果》中提出了关于有扰信道的重要传输理论：

当编码时在信道中引人足够的但是有限的冗余＇1言道中解码器就能从任意荷望的精度复原输入序列。

自此以后，人们为了在有扰情况F进行有效的差错控制而对纠错编／解码方面做了大量工作。

1993年一种全新的十分强大的信道编码方案Turbo码由ClaudeBerrou提出ι11。

它是在综合过去几十年来级联码、乘积码、最大后验概率译码与迭代译码等理论基础t的一种创新。

T町l:

xJ码的基本原理是通过编码器的巧妙构造，即多个子码通过交织器进行并行或串行级联（PCC/SCC），然后以类似内燃机引擎废气反复利用的机理进行迭1-t译码，从而获得卓越的纠错性能，Turbo码也闪此得名。

计算机仿真表明，’furl问码不但在抵御11日性高斯噪声方面性能优越，而且具有很强的抗衰落、抗干扰能力，其纠错性能接近香农极限，这使得Turbo码在信道条件较差收稿日期：

2（阳一05←22的移动通信系统中有很大的应用潜力。

目前，Tur！

：

陆码在实际应用方面的研究已经有很多，其中第二代移动通信系统IMT-2000己经将Turbo码作为其传输高速数据的信道编码标准之一；

在国际海事卫星组织的INMARSAT-phoneM4系统中，也是以Turbo码为核心技术来实现压缩频带的高速数据传输的；

此外，由于Turbo码的译码采用了迭代译码的思想，因此可以把它推f到CD肌气多用户检测中，实现基于Turbo码译码原理的CDMA多用户检测接收机。

二、Turbo码的基本结构和原理1.编码因I（a）中Tur加码的编码器是由2个相同的子编码器和→个交织器组成，其中2个子编码器用递归系统卷积码（HSC），这样可以保证子编码器在所有信噪比条件F都具有良好的性能。

而交织器用来将原始信息序列d.置乱，使交织前后的信息序列的相关性减少。

子编码器l直接对信源信息序列的分·

97•RESEARC'

DEVELOPMENTApplicationofTurboCodesinRadioMobileCommunicationWANGYan-qin,LL川GZhao（InstituteoflnfonnationScience,WuyiUniversity,Jiangmen529020,China）Abstract:

CDMAmulti-userdetection香农（C.E.Shannon）在1948年发表的《通信的数学理论》手fl1957年发表的《适开门工有扰信道的编码理论某些成果》中提出了关于有扰信道的重要传输理论：

当编码时在信道中引人足够的但是有限的冗余＇1言道中解码器就能从任意荷望的精度复原输入序列。

自此以后，人们为了在有扰情况F进行有效的差错控制而对纠错编／解码方面做了大量工作。

1993年一种全新的十分强大的信道编码方案Turbo码由ClaudeBerrou提出ι11。

它是在综合过去几十年来级联码、乘积码、最大后验概率译码与迭代译码等理论基础t的一种创新。

xJ码的基本原理是通过编码器的巧妙构造，即多个子码通过交织器进行并行或串行级联（PCC/SCC），然后以类似内燃机引擎废气反复利用的机理进行迭1-t译码，从而获得卓越的纠错性能，Turbo码也闪此得名。

计算机仿真表明，’furl问码不但在抵御11日性高斯噪声方面性能优越，而且具有很强的抗衰落、抗干扰能力，其纠错性能接近香农极限，这使得Turbo码在信道条件较差的移动通信系统中有很大的应用潜力。

陆码在实际应用方面的研究已经有很多，其中第二代移动通信系统IMT-2000己经将Turbo码作为其传输高速数据的信道编码标准之一；

在国际海事卫星组织的INMARSAT-phoneM4系统中，也是以Turbo码为核心技术来实现压缩频带的高速数据传输的；

此外，由于Turbo码的译码采用了迭代译码的思想，因此可以把它推f到CD肌气多用户检测中，实现基于Turbo码译码原理的CDMA多用户检测接收机。

二、Turbo码的基本结构和原理1.编码因I（a）中Tur加码的编码器是由2个相同的子编码器和→个交织器组成，其中2个子编码器用递归系统卷积码（HSC），这样可以保证子编码器在所有信噪比条件F都具有良好的性能。

而交织器用来将原始信息序列d.置乱，使交织前后的信息序列的相关性减少。

97•布在j税放Jr2003年第1期组进行编码，子编码器2对经过交织器交织后的信息序列分组进行编码。

然后将2个子编码器得到的d,子编码器1子编码器2（a）编码器RESEARCH&

DEVELOPMENT2个校验序列经复用器进行删除后，再与信息序列dk串行输出，从而完成整个编码过程。

（b）译码器图1Turbo码的编译码结构2.译码Tur如码的译码器结构如国1（b）所示。

译码是通过子译码器1和子译码器2（分别记为DI,D2）进行交错重复的译码未完成的。

具体的译向过程是这样的：

信迫输出的信息、比特Y、直接进入I刀，而校验比特经分解器分解后，将对应子编码器1的校验比特ylk送入DJ.把对应子编码器2的校验比特Y2k送入02,DJ输出一→个软判决经过交织器后得到的结果与经过交织器后的信息、比特，以反前面的校验比特Y2k一起输入到的后．也输出一个软判决，f1J将此软判决经过解交织器后重新输入01进行F·

·

－轮译码，如此循环，在进行了多次迭带译码后，信息序列的比特误差率和帧误差率都降到了很低的水平O

三、在无线移动通信中的应用1.在第三代移动通信系统中的应用第2代移动通信系统IMT-2000的目标是提供覆盖全球的多种高层次综合业务、多种系统和多种运营环境的大容量、高速率、高质量、高灵活性、功能强大的移动通信系统，其特点是多媒体化和1智能化，要求能够为用户提供多元传输速率、高性能、高质量的服务。

为支持大数据量的多媒体业务，必须在有限带宽信道上高速传输数据。

由于无线信道传输媒质的不稳定性和噪声的不确定性，4般的纠错码很难达到较高要求的业务质量（QoS）（一般要求误比特率BER，，三10勺，在以前的移动通信系统中通常采用时码与卷积码申行级联的编码方案来实现高业务质最传输，随着Turbo码的提出和相关研究的进一步深入和完善，Turbo码已经被确庄严JIMT-20（泊中川ma2000,\VCDM..＼以及TD-SCOMA等柏：

旺的仨i亘编码方案的重要组成部分98在cdma2000系统中，Turbo码主要用在支持数据业务（突发）的前向补充信道（F～SCH）和后向补充信道（R-SCH）中。

具体的编码结构如图2所示c在前向信道的基本信道（F-FCH）中采用约束度k=9的卷积码。

而在前向信道的补充信道中，对于速率不大于14.4kbit/s的数据还是采用约束度k=9的卷积码：

对于速率大于14.4kbit/s的高速数据一般还是采用约束度k=4、编码速率为1/2、1/3和1/4的Turbo码。

而在反向信道的基本信道（R-FCH）中采用约束度k=9，编码速率R=1/4的卷积码。

在反向信道的补充信道中，当数据速率不大于14.4kbit/s时，也采用这种卷积码进行纠错；

当数据速率大于14.4kbit/s时，采用高速的卷积码（R=J/2或1/3）或采用编码速率为1/2、1/3和1/4的Turbo码。

F-SCH/R-SCH图2cdma2仪泊的｛言道编码结构WCDMA系统中采用了对不同QoS要求的业务进行不同的信道编码的策略。

标准业务仅采用卷和！

编码，高质量业务在卷积编码的基础上增加RS编码或采用Turbo码的编码方法，而对特定业务则在第一层不采用纠错编码而完全由高层来采取差错控制，这样处理的结果使得各种业务变化为同一种数据。

具体的编码结构如图3所示。

TD-SCDMA系统的编码方案与WCDMA系统相似。

根据不同业务种类的质量要求，将业务质量要求分为2个等级：

误码卒（BER）分别为10-3和JO6。

其信道编码的原则是：

对于BER要求在10号级的业务，来m卷积码编码方式；

对于BER要求在106Et级的业务，采用级联码编码方式。

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然后将2个子编码器得到的子编码器1子编码器2（a）编码器RESEARCH&

DEVELOPMENT图1Turbo码的编译码结构2.译码Tur如码的译码器结构如国1（b）所示。

译码是通过子译码器1和子译码器2（分别记为DI,D2）进行交错重复的译码未完成的。

具体的译向过程是这样的：

信迫输出的信息、比特Y、直接进入I刀，而校验比特经分解器分解后，将对应子编码器1的校验比特入02,DJ输出一→个软判决经过交织器后得到的结Y2k一起输入到的后．也输出一个软判决，f1J将此软判决经过解交织器后重新输入01进行F·

－轮译码，如此循环，在进行了多次迭带译码后，信息序列的比特误差率和帧误差率都降到了很低的水平O三、在无线移动通信中的应用第2代移动通信系统IMT-2000的目标是提供覆盖全球的多种高层次综合业务、多种系统和多种运营环境的大容量、高速率、高质量、高灵活性、功能强大的移动通信系统，其特点是多媒体化和1智能化，要求能够为用户提供多元传输速率、高性能、高质量的服务。

为支持大数据量的多媒体业务，必须在有限带宽信道上高速传输数据。

由于无线信道传输媒质的不稳定性和噪声的不确定性，4般的纠错码很难达到较高要求的业务质量（QoS）（一般要求误比特率BER，，三10勺，在以前的移动通信系统中通常采用时码与卷积码申行级联的编码方案来实现高业务质最传输，随着Turbo码的提出和相关研究的进一步深入和完善，Turbo码已经被确庄严JIMT-20（泊中川ma2000,\VCDM..＼以及TD-SCOMA等柏：

旺的仨i亘编码方案的重要组成部分cdma2000系统中，Turbo码主要用在支持数据业务（突发）的前向补充信道（F～SCH）和后向补充信道（R-SCH）中。

具体的编码结构如图2所示c在前向信道的基本信道（F-FCH）中采用约束度k=9的卷积码。

而在前向信道的补充信道中，对于速率不大于14.4kbit/s的数据还是采用约束度k=9的卷积码：

对于速率大于14.4kbit/s的高速数据一般还是采用约束度k=4、编码速率为1/2、1/3和1/4的Turbo码。

而在反向信道的基本信道（R-FCH）中采用约束度k=9，编码速率R=1/4的卷积码。

在反向信道的补充信道中，当数据速率不大于14.4kbit/s时，也采用这种卷积码进行纠错；

当数据速率大于14.4kbit/s时，采用高速的卷积码（R=J/2或1/3）或采用编码速率为1/2、1/3和1/4的Turbo码。

cdma2仪泊的｛言道编码结构WCDMA系统中采用了对不同QoS要求的业务进行不同的信道编码的策略。

编码，高质量业务在卷积编码的基础上增加RS编码或采用Turbo码的编码方法，而对特定业务则在第一层不采用纠错编码而完全由高层来采取差错控制，这样处理的结果使得各种业务变化为同一种数据。

具体的编码结构如图3所示。

相似。

根据不同业务种类的质量要求，将业务质量要求分为2个等级：

误码卒（BER）分别为10-3和JO。

对于BER要求在10号级的业务，来m卷积码编码方式；

对于BER要求RESEARCH&

DEVELOPMENT占在j以达Ll'

联码可以是Reed-Solomon码与卷积码组成的串行级联，或是特殊卷积码组成的并行级联码，即Turbo码。

Turbo码的编码速率在1/4和3/5之间。

SAT已经发展有A、B、C、D、E、M等多种标准系统。

而INMARSAT-phoneM4系统是INMARSAT-M系统的改造方案，该系统通过Inmarsat-3点波束卫星向移动或固定用户提供电话、传真、电视会议和数据通信等多媒体业务。

在INMARSAT-phoneM4中用以实现“压缩频带的高速数据（HSD）传输”的核心技术就是Turbo码。

图4中给出了M4系统中传输高速数据的发送端、接收端信道单元的原理图。

M4系统HSD信道单元中采用Turbo码作为其前向纠错编码（FEC）方式，其中编码器由一个数据缓冲器、一个S型数据交织器、2个16状态递归系统卷积码（SRCC）编码器和一个复用器组成。

其中，2个编码单元是采用（23,35）g递归系统卷积码，其状态数为16状态（编码寄存器的寄存长度为4），前向和BER=lO3WCDMA/ID-SCOMA的信道编码结构2.在JNMARSAT移动卫星通信系统中的应用INMARSAT是最早利用静止轨道通信卫星提供商用移动通信业务的国际组织。

迄今为止，INMAR-图3独特码接收单元数据缓冲解复用由♀tit「urbcz辛石马由山立寸马－A且川川XA叮dJ忡4tγhuF·

’’JY叫iJ以川剧解调J八叫发送剧i同串lj传输同步巾高马川纠石j尤百马复用数据缓冲接收单元M4系统高速数据信道单元原理道的Turbo码编码输出分组（子帧）长度分别是5120bit和2380恼，相应的总编码效率分别为0.509375和0.5167780M4系统的译码器是采用迭代译码与软输入软输出（SISO）的基本算法。

虽然M4系统的模块定义中没有说明采用哪种SISO算法，但信道单元设计方案中加入了信道状态信息（CSI）提取机制，以便采用BJCR及其改进算法实现。

CSI提取方法就是利用导频插入技术。

M4系统中导频符号插入兼有信道Eb/NO估计、相位估计和载波跟踪等功能。

Turbo码编译码体制的最大特点是纠错能力强，尤其在小信噪比情况下，甚至在衰落信道中对传输数据具有很强的恢复能力。

3.在CDMA多用户检测中的应用Turbo码还可以推广到CDMA多用户检测中，实现基于Turbo码译码原理的CDMA多用户检测接收机。

在移动通信领域，宣接序列扩频℃DMA（OS-CDM川系统是一种应用非常广泛的无线通信技术。

99·

图4后向生成多项式分别为l+X-1+X4和l十x+x2+X4o编码器中的交织器采用S型交织器，它的交织方式是半随机的，即在设计过程中对“随机”产生的交织生成表事先加入了若干限制条件，以进一步改善比特分布，然后从中选出－种“最佳”交织方式固走下来供统一使用。

M4系统中，交织器的交织深度与Turbo码编码器的输入分组（子帧）长度一致，而且分两种情况：

14.4kbit/s和28.8kbit/s信道交织深度为232bit;

56/64kbit/s信道交织深度则为2608恼，它是根据期望的Turbo码纠错性能和所支持的通信业务允许的最大译码延时等技术指标综合选定的。

在M4系统中Turbo码的编码速率（由截短矩阵来确定）取1/2和3/4两种，即在→个编码输入分组长度以内以编码速率R=1/2为主，并以千－定的问隔穿插~－m.（4bit）编码速率为只＝3/4的编码序列，目（is，足为了使总的编码j宝来勺ff{道，总的传输速率相匹Ij己门IJ；

］此，56/64khit／《和另外i同种传输速率HSDf言RESEARCH&

DEVELOPMENT联码可以是Reed-Solomon码与卷积码组成的串行级联，或是特殊卷积码组成的并行级联码，即Turbo码。

INMARSAT-phoneM4系统是INMARSAT-M系统的改造方案，该系统通过Inmarsat-3点波束卫星向移动或固定用户提供电话、传真、电视会议和数据通信等多媒体业务。

在INMARSAT-phoneM4中用以实现“压缩频带的高速数据（HSD）传输”的核心技术就是Turbo码。

图4中给出了M4系统中传输高速数据的发送端、接收端信道单元的原理图。

前向纠错编码（FEC）方式，其中编码器由一个数据缓冲器、一个S型数据交织器、2个16状态递归系统卷积码（SRCC）编码器和一个复用器组成。

其中，2个编码单元是采用（23,35）g递归系统卷积码，其状态数为16状态（编码寄存器的寄存长度为4），前向和JNMARSAT移动卫星通信系统中的应用INMARSAT是最早利用静止轨道通信卫星提供商用移动通信业务的国际组织。

迄今为止，INMAR-3接收单元数据缓冲解复用由♀tit「urbcz辛石马由山立寸马－A且川川XA叮dJ忡4tγhuF·

’’JY叫iJ以川剧解调J八叫发送剧i同串lj传输同步巾高马川纠石j尤百马复用bit380恼，相应的总编码效率分别为0.5093750.5167780M4系统的译码器是采用迭代译码与软输入软输出（SISO）的基本算法。

虽然M4系统的模块定义中没有说明采用哪种SISO算法，但信道单元设计方案中加入了信道状态信息（CSI）提取机制，以便采用BJCR及其改进算法实现。

CSI提取方法就是利用导频插入技术。

M4系统中导频符号插入兼有信道Eb/NO估计、相位估计和载波跟踪等功能。

Turbo码编译码体制的最大特点是纠错能力强，尤其在小信噪比情况下，甚至在衰落信道中对传输数据具有很强的恢复能力。

3.CDMA多用户检测中的应用Turbo码还可以推广到CDMA多用户检测中，实现基于Turbo码译码原理的CDMA多用户检测接收机。

在移动通信领域，宣接序列扩频℃DMA（OS-CDM川系统是一种应用非常广泛的无线通信技术。

994后向生成多项式分别为l+X-1+X4和l十x+x2+编码器中的交织器采用S型交织器，它的交织方式是半随机的，即在设计过程中对“随机”产生的交织生成表事先加入了若干限制条件，以进一步改善比特分布，然后从中选出－种“最佳”交织方式固走下来供统一使用。

M4系统中，交织器的交织深度与Turbo码编码器的输入分组（子帧）长度一致，而且分两种情况：

14.4kbit/s和28.8kbit/s信道交织深度为232bit;

56/64kbit/s信道交织深度则为2608恼，它是根据期望的Turbo码纠错性能和所支持的通信业务允许的最大译码延时等技术指标综合选定的。

在M4系统中Turbo码的编码速率（由截短矩阵来确定）取1/2和3/4两种，即在→个编码输入分组长度以内以编码速率R=1/2为主，并以千－定的问隔穿插~－m.（4bit）编码速率为只＝3/4的编码序列，目（isIj己门IJ；

］此，56/64khit／《和另外i同种传输速率HSDf言电机也Jr2003喃喃RESEARCH&

DEVELOPMENT它以其容量大、抗干扰能力强、易于实现等优点，在卫星通信、蜂窝移动通信、无线本地通信及个人通信领域倍受关注。

但在CDMA系统中，大量用户信息在同→传输媒质中的同一频段、同一时间传输，而且各用户所分配的编码披形（扩频序列）不是正交的，另外由于实际条件的限制（如有限传输带宽、用户数、功率、信道、同步等），便接收机中存在着严重的多址干扰，尤其是当用户间的能量不均衡时，会产生“远近效应”，严重影响系统的性能和容量。

为了克服这种不良影响，人们提出了多种多用户检测的方法。

考虑到多址干扰主要是由用户间扩频序列的相关性造成的，而Turbo码在其编码系统中采用交织器，可以通过分散信息码元的位置来降低扩频码间的相关性，达到提高系统性能的目的，所以在现实实现中，是把Turbo码与DS-CDMA系统的扩频编码结合起来，共同完成移动通信系统的多用户检测的。

具体的多