（信号与信息处理专业论文）wcdma系统中上行链路编码复用的研究.pdf

摘要 w c d m a 是第三代移动通信系统中最有前景的技术标准之一，传输速率可达 至u 3 8 4 k b p s ，是基于g s m 的核心网，实现了真正意义上的3 g 。它采取了多项先 进技术，比如抗衰落、抗突发差错的信道编码技术、r a k e 接收、天线分集、功 率控制、软切换等。可以提供给客户更可靠、更高速率和更多业务的服务。在 移动通信系统过程中，物理层是系统的最底层，数字基带处理是物理层的关键 技术之一，它的结构直接影响无线链路的性能、用户终端与交换设备的复杂度。 因此，对w c d m a 数字基带处理技术的研究，提高w c d m a 数字基带处理的性能， 对实现各种业务具有重要的意义。 本文以w c d m a 无线接口协议结构为切入点，从物理层的组成，具体到数字 基带处理模块，重点研究了上行链路的符号级d s p 处理模块。详细介绍了 w c d m a 信道编码复用的原理，基于w c d m a 信道编码复用的理论基础，用 m a t l a b 仿真工具对上行链路信道编码复用和译码解复用的环回系统进行建模、仿 真，并对两路信道在高斯信道下的误码率进行了分析。重点对符号级d s p 处理模 块的实现进行了讨论，按照实现的功能将其划分为4 块：初始化模块、调度模块、 符号级处理模块、命令模块，详细描述了各模块实现的功能、实现方法和模块 之间的相互依赖关系。在各模块的相互协调作用下，共同完成符号级d s p 处理的 工作。难点是符号级处理模块的d s p 实现，该模块的实现主要包括添加校验码、 信道编码、第一次交织、速率匹配、复用第二次交织和信道映射等操作。最后 在这些算法的基础上，采用t i 公司5 5 x 系列的d s p ，利用c 语言编程，实现了 w c d m a 上行链路信道编码复用操作，本论文的设计方案采用的是一种基于时隙 的调度方式，更能有效地改善执行效率，提高系统的实时性。 本论文基于w c d m a 信道编码复用技术，介绍了实现w c d m a 数字基带系统 建模仿真的设计方案，研究了w c d m a 数字基带处理中各功能模块的划分以及具 体实现方法，分析讨论了系统与子模块之间以及各个子模块之间的关系。仿真 实现给出的多组数据验证和结果分析，说明本文设计的上行链路编码复用d s p 方案中所采用的方法是可行的。经过对d s p 处理系统的测试，可以实现预期功能， 得到满意结果。 关键字：w c d m a ，3 g p p ，t s2 5 2 1 2 ，1 m b o 编码，速率匹配，d s p a b s t r a c t w c d m ai so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gt e c h n o l o g ys t a n d a r d si nt h et h i r d g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t r a n s m i s s i o nr a t ec a nb eu pt o3 8 4k b p s ， w h i c hb a s e do ng s mc o r en e t s ，i sr e a lo ft h e3 gi t a d o p t ss e v e r a la d v a n c e d t e c h n o l o g ys u c ha sr a k er e c e i v e r , a n t e n n ad i v e r s i t y ，p o w e rc o n t r o l ，s o f th a n d o f f e t c c o n t r a s tt oc o n v e n t i o n a lm o b i l es y s t e m ，t h eh i g h e rc a p a c i t y ，t h eb e t t e rs p e c t r u m e f f i c i e n c ya n dm o r ee x t e n s i v ea b i l i t y c a ns e r v e rt h eu s e r sb e t t e r t h ep h y s i c a ll a y e r i st h eb o t t o mo ft h es y s t e m ，a n dt h ed i g i t a lb a s e b a n di so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g y t h es t r u c t u r eo fp h y s i c a ll a y e ri m p a c t sd i r e c t l yo nt h ep e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sl i n k ， d e c i d e dt ot h ec o m p l e x i t yo ft h eu s e rt e r m i n a l sa n de x c h a n g ee q u i p m e n t s t h e r e f o r e ， r e s e a r c h i n ga n di m p r o v i n gt h ed i g i t a lb a s e - b a n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fw c d m a i sa ni m p o r t a n tm e a n i n g t h i sp a p e ri sa r r a n g e df r o mt o pt ob o t t o m ，f r o mt h ew i r e l e s si n t e m e tp r o t o c o lt o t h ep h y r s i c a ls t r u c t u r e ，t h e nf o c u st od i g i t a lb a s e b a n dp r o c e s s o r , a n df i n a l l yt ot h e u p l i n ks y m b o lr a t eo fd s pp r o c e s s i n g a f t e ri n t r o d u c i n gt h ep r i n c i p l eo ft h e w c d m ac h a n n e lc o d i n ga n dm u l t i p l e x i n g ，u s i n gt h em a t l a bt oe s t a b l i s ht h es y s t e m s m o d e l t h es y m b o lr a t eo fd s pp r o c e s s i n gi sk e yp o i n t s ，i n c l u d i n g ：i n i t i a lm o d u l e ， s c h e d u l i n gm o d u l e ，s y m b o lp r o c e s s i n gm o d u l e s ，t h ec o m m a n dm o d u l e ，t h ep a p e r t r i e st oc l e a rt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns y s t e ma n de a c hm o d u l e ，m o d u l e sc o o r d i n a t e e a c ho t h e rt oc o m p l e t et h es y m b o lr a t eo fd s pp r o c e s s i n g t h es y m b o lo fd s p p r o c e s s i n gi sd i f f i c u l t y , i n c l u d i n gc r c ，c a s c a d eo rs e g m e n t a t i o n ，c h a n n e lc o d i n g ， f i r s ti n t e r l e a v i n g ，r a t em a t c h i n g ，m u l t i p l e xa n d m a p p i n g ，g i v i n gs p e c i f i cc o d e f i n a l l y b a s e do nt h ea l g o r i t h m ，c h o o s et m s 3 2 0 c 5 5 0 9 ac h i po ft ic o m p a n y , a n du s i n gc l a n g u a g ep r o g r a m m i n g ，f i n i s h e dw c d m au p l i n kc h a n n e lc o d i n ga n dm u l t i p l e x i n g t h i ss c h e m ei sb a s e do nt h es l o ts c h e d u l i n g ，c a ni m p r o v et h es o f t w a r ee x e c u t i v e e f f i c i e n c ya n dt h er e a l t i m e t h i sp a p e rb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fw c d m a ，r e s e a r c he a c hm o d u l ef u n c t i o n a n dt h es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o n ，t h i sp a p e rt r i e st oc l e a rt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n s y s t e ma n de a c hm o d u l ea n db e t w e e nt h ee a c ho t h e r s ，i n t r o d u c e dt h es i m u l a t i o n r e a l i z a t i o no fw c d m a d i g i t a lb a s e b a n ds y s t e m t h es i m u l a t i o ns y s t e mi st e s t e d a n dg i v e st h er e s u l ta n a l y s i s ，s h o w st h a tt h em e t h o di sf e a s i b l e t h r o u g ht e s t i n g ，m e e t t h ee x p e c t e df u n c t i o n , g e tas a t i s f a c t o r yr e s u l t k e yw o r d s ：w c d m a ，3 g p pt s2 5 212 ，t u r b oc o d i n g ，r a t em a t c h i n g ，d s p i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文选题的背景及意义 蜂窝系统的提出源于2 0 世纪6 0 年代，由贝尔实验室的成员共同提出来的， 由于当时的硬件技术不成熟、蜂窝系统本身又比较复杂，导致了蜂窝系统的停 滞不前。7 0 年代随着集成电路、微处理器和半导体的快速发展，迅速的推动了 蜂窝移动系统的研究和应用【l 】。1 9 7 9 年第一个a m p s 蜂窝系统的开通，标志着第一 代移动通信系统的产生。尽管第一代移动通信获得突破性的成功，但是随着移 动通信的应用规模增大，暴露了很多不足之处，比如容量有限、不兼容性、无 法自动漫游、很难实现保密、通话质量一般、不能提供数据业务等一系列问题， 已经无法满足人们同益增长的需求1 2 j 。 2 0 世纪九十年代初期，随着计算机和数字技术的迅猛发展，采用数字传输、 时分多址、窄带码分多址为主体的移动电话系统，被称为第二代移动通信系统1 3 j 。 第二代数字移动通信相对于第一代模拟通信系统，话音质量显著提高，并可进 行省内、省际自动漫游。但由于第二代移动通信系统带宽较窄，数据业务的扩 展受到限制，高速率的业务无法实现，因为各国的移动通信标准不一致，所以 全球漫游也无法实现，这些需求推动了新一代移动通信系统的发展d l 。 第三代移动通信系统简称3 g ，与第二代相比性能有很大的提升，不仅实现 了全球漫游，在任意地点无缝隙通信，还实现了高速数据传输和宽带多媒体业 务，可以上网下载图片、浏览网页、读书看报、发微博，以及图像的传输和可 视化的电话业务。目前的3 g 技术主要有4 个标准：欧洲的w c d m a ，北美的c d m a 2 0 0 0 和w l m a x ，以及中国提出的t d - s c d m a 【5 j1 6 】。从技术角度讲，w c d m a 的优势显而 易见，业务灵活、频谱效率高、容量和覆盖范围广、每个连接可提供多种业务、 网络规模经济等多种优势，大大方便了客户使用和选择。w c d m a 允许每个5 m h z 载波处理从8 k b p s 到2 m b p s 的混合业务。在同一信道上既可处理电路交换业务 也可以处理分组交换业务，利用在单一终端上进行多个电路和分组交换连接， 实现真正的多媒体业务。w c d m a 射频收发信机能够处理的话音客户是典型窄 带收发信机的8 倍。每个射频载波可处理8 0 个同时的话音呼叫，或每个载波可 处理5 0 个同时的i n t e m e t 数据客户。 武汉理工大学硕十学位论文 随着社会信息化的发展，手机已经成为了人们学习、工作、生活中一个不 可缺少的通信工具，人们对手机的性能要求也越来越高。然而物理层协议是终 端开发中最为重要的部分，和移动通信系统的业务紧密相关，对上层实现影响 很大，其优劣性对市场竞争力有很大的影响，所以高效又稳定的基带处理方案 对系统的市场有重要的影响【_ 丌。而且w c d m a 数字基带处理的参考的资料较少， 几乎没有源代码可以借鉴，而且通信协议不断地在加强。所以，对w c d m a 数字 基带处理的研究有很大的价值和实用价值。 1 2 国内外研究现状 w c d m a 标准化由3 g p p 负责制定，3 g p p 组织由中国的c w t s 、欧洲的 e t s i 、日本的a r i b 和t t c 、韩国的n a 等成员组成，目的是使该标准与 g s m g p r s 相兼容，所制定的标准有r 9 9 、r 4 和r 5 三个版本，每个版本是针 对不同的时期制定的，其中r 9 9 是最成熟稳定的版本，目前用的最多，随着标 准的不断演变，w c d m a 物理层基带传输技术也在不断地演进1 8 j1 9 j 。 在移动通信中，不可避免的会引入噪声，加上信道衰落，导致突发误码， 为减小误码常用的方法有交织、纠错编码技术【1 0 】【1 1 】。交织是为避免一连串的错 误而采取的时间分集技术，随机化突发差错，这样在接收端就可以采取译码恢 复误码。编码技术有r s 码、卷积码、r s 码和卷积码的级联。随着t u r b o 码的 同益成熟【1 2 l ，在移动通信系统中被越来越广泛地使用，其结构有两种形式：并 行或串行的级联循环卷积码，一般采用并行结构，即：两个递归系统卷积码和 一个交织器组成，传输数据通过一个卷积码和并行的交织器和卷积码后输出， 其编码是迭代式进行的。实验表明，在a w g n 和瑞利衰落信道中，t u r b o 编码 与r s 码和卷积码的级联码相比较，增益在2 d b 以上的l l 引。因此，t u r b o 码在 不同的移动通信标准中被广泛使用，并成为w c d m a 基带传输的关键技术之一。 但是，t u r b o 码的译码比较复杂，这是其缺点。t u r b o 码推动了编码技术的发展， 是编码技术发展的一个重要转折【1 4 1 。在1 9 9 7 年l d p c 码被m a c k a y 重新研究， 发现它具有优异的性能，它的译码可以并行实现，目前l d p c 码已经成为研究 热点。 在w c d m a 系统中，由于多径信道和用户的随机接入导致的不正交，会引 起多用户之间的干扰( 多址干扰) ，严重影响了通信业务的质量，所以消除多 址干扰对w c d m a 通信系统的发展意义重大n 朝。通过多年来对抑制多址干扰技 2 武汉理 二大学硕士学位论文 术的深入研究，由最初的最优检测器，到线性检测器，到现在的多级非线性的 并行干扰抵消检测器，随着抑制多址干扰技术的不断成熟，认为并行干扰抵消 检测器是最有可能实现的抵消多址干扰的方法。根据系统和并行干扰抵消检测 器实现的的复杂程度，可以考虑采用2 - - 3 级的并行干扰抵消检测器。 为了满足用户对第三代移动通信系统具有更高且可变的数据速率。w c d m a 系统增加数据速率的方法有两种，一是降低扩频因子，可以看作可变扩频因子 技术【1 6 1u 7 l ；另外一种方法是保持扩频因子不变，通过分配多个并行的扩频码道 即多码( m c ，m u l t i c o d e ) 技术来提高数据速率，有时候也结合这两种技术，即混合 的方案。但是在采用可变扩频因子技术来传输高速数据时，会产生小扩频比情 况，当扩频增益较小时，扩频码和扰码形成了复合码，在传输过程中由于不理 想的自相关和互相关特性，会引起很严重的径间干扰，从而造成了w c d m a 系 统中的符号间干扰d 8 】。w c d m a 系统中克服多径干扰主要采用的技术有：分块 传输技术和均衡技术。 w c d m a 数字基带处理的实现芯片也在不断发展，在2 g 2 5 g 时期，数字 基带处理功能一般用s o c ，基本构架是m c u + d s p 的双核结构，配合加速器和 基带专用外设，通过软件在d s p 硬件系统上实现物理层功能，其中m c u 主要 运行物理层控制软件、应用软件和协议栈软件【1 9 1 。到了3 g 时代，随着手机解决 方案的增强，推出实现基带处理的芯片的厂商有t i 公司的o m a p 平台，它是结 合基带处理和应用处理的多种结构的平台，如基带处理芯片配合应用处理器双 芯片，单芯片应用处理器配合基带m o d e m 方案等；还有q u a l c o m m 公司提出 的w c d m a 方案，即在基带芯片中使用处理器+ 双d s p 结构。不仅降低了功耗， 系统成本也下降了【。2 0 j 。 多年来中国通信研究组致力于第三代通信技术的研究【2 ，取得了巨大的成 就，华为和中兴作为国内移动通信的代表企业，一直致力于移动通信基带处理 的研究和发展，掌握了数字基带核心技术的电路设计和协议开发能力，提供了 端到端的终端解决方案，提高了我国在w c d m a 数字基带技术方面的影响田j 。 1 3 本文所做的主要工作 w c d m a 数字基带处理的d s p 实现包含了通信理论知识、d s p 芯片接口设 计、c 语言编程等技术，w c d m a 数字基带技术的研究是当前的热点之一，并 且具有重要的实际意义。在此，本文深入对w c d m a 上行链路信道编码和复用技 武汉理工大学硕士学位论文 术进行了研究，并对其在m a t l a b 仿真平台上进行了建模仿真，分析实现的功能， 最后选择d s p 实现了w c d m a 上行链路信道编码和复用系统设计。本文的主要工 作如下： 第1 章：简要介绍了选题的背景和意义，w c d m a 数字基带技术的国内外 的发展现状。 第2 章：对w c d m a 基带信道编码及复用的分析，包括c r c 校验码的添加、 传输块的级联和编码块分割、信道编码、无线帧均衡、第一次交织、速率匹配、 传输信道的复用和第二次交织等操作步骤。然后在m a t l a b 仿真平台上，对基带上 行链路的编码复用进行了系统仿真和分析，为第四章的d s p 实现奠定了基础。 第3 章：是对w c d m a 数字基带符号级d s p 的功能分析和描述，把d s p 的 实现功能分为四块：初始化模块、调度模块、数据处理模块和命令处理模块。 阐述了四个模块的作用和依赖关系。 第4 章：在实现上行链路的编码复用中，展示了实现w c d m a 系统中上行 链路信道编码复用的d s p 目标板，阐述了本文采用t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a 实现w c d m a 信道编码的过程，包括系统设计要求、操作流程设计、硬件接口电路设计、处 理模块的软件设计，最后给出了d s p 的处理结果。 第5 章：对w c d m a 上行链路编码复用系统的设计进行了总结，同时指出 了本文所做的工作需要完善和改进的地方，对将来系统丌发进行了展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章w c d m a 基带信号编码与复用的原理和仿真 2 1 无线接口协议的概述 无线接口协议分为三层，如图2 1 所示。从上往下，依次是网络层、数据链 路层、物理层。l v i a c 层与物理层之间的s a p ( 端与端之间的通信业务接入点) 提 供了一个传输信道；无线链路控制协议( r l c ) 和媒体接入控制协议( m a c ) 之间的s a p 提供逻辑信道；接入层向上提供通用控制、通告和专业控制业务接 入点【引。 数字基带处理位于物理层，l v i a c 层通过传输信道可以下发控制命令，传输 数据块，配置数据在基带处理的参数。基带处理模块向下可以和物理层的其他 功能模块配合，完成数据的整个物理层处理。 一控制线 仁专数据线 图2 - 1w c d m a 无线接口协议结构 5 武汉n - _ e 大学硕士学位论文 信道编码复用在数字基带处理模块中，流程为：添加c r c 校验码、传输块 级联和分段、卷积编码或者t u r b o 编码，第一次交织，速率匹配，传输信道复用 和物理信道分割，第二次交织。之后对各个物理信道的数据进行扩频、调制， 经过中频和射频处理后，通过天线将信号发送给移动终端。 在讨论信道编码复用的过程中，涉及到传输信道的基本参数，下面给出信 道编码中用到的一些参数： ( 1 ) 传输块( t b ) 是物理层与m a c 层之间进行数据交换的基本单元。 ( 2 ) 传输块集( t b s ) 是传输信道在物理层和m a c 层交换的传输块集。 ( 3 ) 传输块长度 指传输块的比特个数。 ( 4 ) 传输块集的长度 指传输块集包含的比特个数。 ( 5 ) 传输时间间隔( t t i ) 上层传送一个传输块集的时间间隔。它是传输信道的参数，在集合 1 0 m s ， 2 0 m s ，4 0 m s ，8 0 m s 中取值。 ( 6 ) 传输格式 定义为在一个t t i 内，告诉物理层如何处理这些数据，如传输的数据长度、 采用的编码方式、重复或者打孔等。 2 2 上行链路的信道编码复用 根据无线接口协议，当物理层接收到来自m a c 层的数据后，需要对接收到 的数据进行处理，然后映射到物理层。如图2 2 是上行链路的信道编码复用过程， 每一个虚线框代表一个传输时间间隔内的传输块的处理步骤。传输数据按各自 的传输时间问隔到达编码复用单元后，每个传输信道中数据块进行添加c r c 校 验码，传输块级联和分段、卷积编码或者t u r b o 编码、第一次交织、速率匹配， 传输信道复用、物理信道分割和第二次交织等操作之后，多个传输信道按1 0 m s 进行复用，形成组合传输信道，再映射到多个物理信道中去桫j 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2w c d m a 上行链路编码复用流程图 2 2 1c r c 校验、信道编码 ( 1 ) 添加c r c 校验 高层数据传到编码复用单元后，首先进行c r c 校验操作，操作对象是每个 传输时间间隔( t t i ) 内的数据帧。c r c 检验的过程可以描述为：根据接收的x 位的二进制传输块，产生一个m 位的c r c 码，并将其附在原始信息之后，构成 新的x + m 位传输块。在接收端用x + m 位的传输块形成的多项式除以c r c 生成 多项式，如果余数为0 ，接收数据准确无误，否则接收数据有误。c r c 校验比 特数目可以为2 4 ，1 6 ，1 2 ，8 ，0 其中之一，每个t r c h 使用的c r c 长度出传输信道的 高层下发的命令决定h o j 。c r c 只能检错，但没有纠错功能。在3 g p p 协议中， 校验比特的生成多项式为： 7 麴。匈囱宦蜜 一一一一。一 武汉理工大学硕士学位论文 g ( m 2 4 ( d ) = d 2 4 + d 2 3 + d 6 + d 5 + d + 1 ； g c r c l 6 ( d ) = d 1 6 + d 1 2 + d 5 + 1 ； n1 、 g c 昭1 2 ( d ) = d 1 2 + d + d 3 + d 2 + d + 1 ； l 小1 j g c r c 8 ( d ) = d 8 + d 7 + d 4 + d 3 + d + 1 ； ( 2 ) 传输块级联和编码块分割 经过c r c 粘贴过后的传输块，在编码前需要进行级联或者分割。传输块级 联是将一个t t i 内的全部传输块按先后顺序串联起来。目的是减少编码器的尾 比特开销，提高信道编码的效益，但是级联不是无限的，过长的数据块会引起 编码复杂度增高，为了避免这样的问题，每种编码有自己的最大编码块长度， 比如卷积编码和t u r b o 编码规定的最大编码块长度分别为5 0 4 、5 1 1 4 。若级联后 的数据块长度超过了最大编码长度，则等分级联后的数据序列，使等分后的每 一个码块长度小于最大编码长度【1 1 1 。 ( 3 ) 信道编码 由于在传输过程中有噪声干扰和信道衰减，传输数据不可避免的会出现误 码，为了减小和纠正噪声和信道带来的误差，数据流在发送前进行信道编码。 编码的基本思想是：在传输的数据中，加入一定规律的冗余信息，使原本不规 律的数据流具有规律，这样在接收端，译码器就可以根据这种规律来译码，然 后和接收到的数据流进行比较，如果发现有误，在译码时及时纠正。 w c d m a 系统中常用的信道编码类型有卷积编码和t u r b o 编码，通常数据 采用t u r b o 编码，语音和低速信令采用卷积编码。根据输入数据的大小和编码速 率不同，编码输出如下：若编码前的比特数为k ，编码后的比特数为y ，采用速 率为1 2 的卷积编码，输出y = 2 木l “1 6 ；速率为1 3 卷积编码，输出y = 3 * k + 2 4 ( 2 4 是尾比特) ；使用速率为l 3 的t u r b o 编码，输出y = 3 木l ( + 1 2 【12 1 。 不同的传输信道采用的编码方式不刚1 3 】，表2 一l 是3 g p p 协议中推荐使用的 编码方式： 表2 1 不同信道采用的编码方式和编码速率 信道传输类型信道编码技术编码速率 b c h 、p c h 、r a c h卷积编码1 2 1 2 或者1 3 d c h ，f a c h ，d s c h ，c p c ht u 帕o 编码 1 3 8 武汉理工大学硕士学位论文 卷积编码 在w c d m a 系统中，规定采用约束长度k = 9 的卷积编码器。有两种编码速 率分别为1 2 和1 3 。每输入一比特，在输出端同时得到2 ( 编码速率为1 2 ) 或 者3 比特( 编码速率为1 3 ) 。如图2 3 是速率为i 3 的卷积编码器的输出依次为 输出x ，输出y ，输出z ，输出x ，输出y ，输出z 。速率为1 2 的卷积编 码器输出依次为输出x ，输出y ，输出x ，输出y 。数据帧编码结束后，输 入8 个值为“0 ”的尾比特数。初始化移位寄存器。 ，l 二_ j，l 二j7 l 二_ j7 l ：厂一! 厂t 一 了了 7 l 二_ j 上上 土土 、厂r 、 ，r 、。厂卜、 一厂r 、 输出x 、 7 w 7w 7 u 7 u 一一u 一w 1 ， 、rrr r 输出y 。 l 厂、。，、l 厂、 、 一、 7 w7 w7 、7 一w 1r 1r 、 ， i 输出z 。 、 - 厂、 。厂、 l 厂 图2 - 3 卷积编码的结构 t u r b o 编码 t u r b o 编码器有两种形式，串行和并行。通常讨论的t u r b o 编码器是并行级 联编码器( p c c c ) i t 4 。如图2 4 是并行级联t u r b o 编码器，由两个递归系统码 卷积编码器( r s c ) 和交织器组成，两个r s c 并联，交织器和下面的r s c 串联 期纵确碱釉1 3 ，始觚粉：g ) = i1 器j ，舯 g o ( d ) = l + d 2 + d ，g o ( d ) = 1 + d + d 。 x k z k l 一一一一一一一一一一一一一一一一一i ，k j l 图2 4 速率1 3 的t u r b o 编码器的结构 9 武汉理工大学硕士学位论文 若t u r b o 编码器的输入比特序列为x l ，x 2 ，x k ( 下标k 表示比特数) ，则 输出为：x l ，z l ，z l ，x 2 ，z 2 ，z 2 ，x k ，z k ，z k 其中z l ，z 2 ，瓦和z l ，z 2 ，z k 分别 为第一和第二r s c 的输出比特序列。t u r b o 内部交织器输出的比特序列x l x 2 ， x k 作为第二r s c 的输入序列。 t u r b o 编码的内交织器比较复杂，是整个t u r b o 编码器的重要环节。简言之 就是把数据序列按行输入一个矩阵，进行行内和行间交织后，按列输出数据序 列。矩阵的大小根据输入的数据序列决定，如2 1 ，2 2 式可以求出矩阵的行数r 和列数c ，其中k 是数据帧的比特数，p 是根据素数和相关的原根列表求出的。把 数据序列按行输入矩阵r x c ，可以根据需要，添加填充比特，进行行内和行间 交织，最后把交织后的数据按列输出，删除填充比特【1 5 】1 1 6 】。 f 5 ，若( 4 0 kn1 5 9 ) r = 1 0 ，若( 1 6 0 k 2 0 0 ) 或( 4 8 1 k 5 3 0 ) ( 2 - 2 ) l2 0 ，k = 其他值 f 尸一1 ，若( knr np 一1 ) c = p ，若( r x ( e 一1 ) k r x p ) ( 2 - 3 ) l p + i ，rxpnk 2 2 2 第一次交织、速率匹配 ( 1 ) 第一次交织 第一次交织是为了抗信道快衰落和噪声而引起的一连串信号的差错，采取 的时间分集技术。信道编码对单个或者较短的传输码时，才能有效地检测和矫 正，成串的差错码超出了码字的纠错能力，为了避免成串的错误，希望把传输 的比特按照一定规则分离，即使出错，可以利用信道编码的纠错功能恢复正确 的信息。表2 2 是第一次交织的列交换图样，根据t t i 的大小确定输入矩阵的列 数。 表2 2 列交换图样 t t i 列数c 1列间交换图样 1 0 m sl 2 0 m s2 4 0 m s4 8 0 m s8 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 在交织后要进行1 0 m s 无线帧均衡，目的是便于数据映射到物理信道进行的 操作，根据系统要求计算出分帧的数目，然后对上行链路中传输的数据等分。 t t i 1 0 m s 表示一个传输信道在t t i 内1 0 m s 无线帧的数目。 ( 2 ) 速率匹配 速率匹配是为了传输信道上数据和物理信道容量相匹配，将传输信道上的 数据打孔或者重复。在上行链路数据传输中，各传输信道中无线帧的比特数不 同，为了使第二次交织后的总比特数与物理信道的容量相等，需要对传输数据 进行重复或者打孔。重复就是按照一定的规律，把无线帧中的一些数据重复放 到无线帧内；打孔就是按照一定的规律，删掉无线帧中的一些传输数据，但是 不影响信号的接收1 1 7 j 。 当传输数据个数小于信道承载的容量时，需要重复。当传输数据个数大于 信道容量时，需要打孔。根据物理信道的扩频因子计算物理信道的容量，无线 帧打孔或者重复的比特数，速率匹配参数变量e 的初始值e ，增量e 。，减小值 e 幽刚如果是对t u r b o 码进行速率匹配，需要考虑是打孔还是重复，如果是打孔， 要对比特流进行分离，把系统位和第一奇偶校验位、第二奇偶校验位分离，因 为系统位不能打孔；如果是重复则不需要分离【l 引。 2 2 3 传输信道的复用、第二次交织 复用是对经过速率匹配的所有传输信道的无线帧依次串行输出，复合成一 个编码组合传输信道( c c t r c h ) t 1 9 1 ，如图2 5 所示。假设只有两个传输信道t r c h l 和t r c h 2 ，两个信道的传输时间间隔分别为2 0 m s 、4 0 m s 。t r c h l 和t r c h 2 经 过无线帧分割后分别有2 个无线帧和4 个无线帧，则两个信道复用的过程为： 进 图2 - 5 传输信道复用流程 复用后的第二次交织是把数据逐行输入一个3 0 列的矩阵，执行列交换之后， 按列读出。如果有填充比特，将其删除【2 0 l 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 上行链路信道编码复用的仿真 2 3 1 仿真平台m a ti a b 的简述 随着数字通信技术的快速发展，通信系统和信号处理技术也越来越复杂， 同时，各种新器件如d s p 芯片、f p g a 、集成光学器件和单片机的不断出现，对 通信设计产生了重大的影响。由于硬件系统的复杂度增加，迫使设计人员花更 多的时间做系统分析和评估。所以系统仿真是最有效的途径。 m a t l a b 有大量的工具箱，其中m a t l a b s i m u l i n k 是研究通信系统链路层仿真、 数值计算、数值结果处理的标准平台，s i m u l i n k 提供了丰富的模块库帮助设计人 员快速的建立动态系统模型；s i m u l i n k 提供了交互性很强的仿真环境既可以使用 命令进行仿真也可以用下来菜单执行；m a t hw o r k s 公司还开发了专业功能工具 包! t h d s pb l o c k s e t 和c o m m u n i c a t i o n sb l o c k s e t ，来补充s i m u l i n k 工具箱，可以快速 的实现系统的建模、仿真、分析；s i m u l i n k 还提供了s 函数用来自定义模块。 s i m u l i n k 强大的数值计算能力、交互界面、易于学习和系统评估等特点，已 经被广泛的应用于诸多领域中，很大程度上减轻了开发人员的负担。 2 3 2 系统的仿真 d c h 的业务有信令、电路型数据、语音、分组型数据，仿真选择的传输业 务是分组型数据+ 信令为例进行讨论。表2 3 给出两个传输信道的仿真参数： 表2 3 传输信道参数 参数 d t c hd c c h 传输信道编号 12 传输块长度 2 8 8 01 0 0 传输块集长度 2 8 8 01 0 0 1 v r i2 0 m s4 0 m s 信道编码类型t u r b o 编码卷积编码 编码速率 1 31 3 速率匹配属性 2 5 62 5 6 c r c 长度 1 61 2 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 输入数据 编码复用的输入数据由b e r n o u l1ib i n a r yg e n e r e t o r 产生基于帧的随机比 特序列。d t c h 的信息比特率是1 4 4 k b i t s ，t t i 是2 0 m s ，传输块长度为2 8 8 0 比 特；d c c h 的信息比特率是2 5 0 0 b i t s ，t t i 是4 0 m s ，传输块长度为1 0 0 。 ( 2 ) c r c 校验 直接调用校验产生模块，d t c h 添加1 6 位的校验码，d c c h 添加1 2 位，经过该 模块后，d t c h 和d c c h 的t t i 内的比特数分别为2 8 8 0 + 1 6 l l 特，1 0 0 + 1 2 l l 特。 ( 3 ) 信道编码 d t c h 采用t u r b o 编码，s i m u l i n k 库中没有t u r b o 编码模块，需要进行构造。 首先构造t u r b o 内部交织器：对输入进行填充，使填充后的比特数满足矩阵2 0 1 4 8 ，根据交织图样进行行间交换和行内交换，最后把填充比特删除，输出即可。 如图2 - 6 所示。 图2 - 6 内部交织器的结构 如图2 7 是t u r b o 编码器的构成，经过此模块的数据输出：2 8 9 6 x 3 + 1 2 l l 特。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 7t u r b o 编码器的结构 根据3 g p p 的要求，t u r b o 编码器内部的两个子编码器均为递归系统卷积码， 约束长度为4 ，编码生成多项式为1 5 、1 3 ，反馈为1 3 ，参数设置如图2 8 所示。 图2 8 卷积编码器的参数设置 d c c h 采用卷积编码，卷积编码模块从c o m m u n i c a t i o nb 1 0 c k s e t s 中直接调用， d c c h 的约束长度为9 ，编码速率为1 3 的卷积编码。根据3 g p p 协议规定，在编码 前数据序列尾部添加8 比特的0 ( 复位寄存器) ，输出比特： ( 1 1 2 + 8 ) 3 1 ：l 特。 ( 4 ) 第一次交织 构成模块是g e n e r a b l o c ki n t e r l e a v e r ，从c o m m u n i c a t i o nb l o c k s e t s 库 中调用。根据传输块的t t i 选择交换图案，把数据按行输入矩阵，再按列读出。 ( 5 ) 速率匹配 、 速率匹配的输入数据是l o m s 无线帧，所以进入速率匹配之前必须进行帧分 割。如图2 9 所示。s i m u l i n k 中没有速率匹配模块，这里用s 函数创建的自定义 的速率匹配模块。建模所用到的速率匹配参数经过计算如下： 静态速率匹配参数r m i = 2 5 6 ，r m 2 = 2 5 6 ，复用信道数目i = 2 ， 速率匹配前t r c h l 的比特数n ：4 3 5 0 ，t r c h 2 的比特数n ：j = 9 0 ， 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 匹配后的单个无线帧的比特数为n j = 4 8 0 0 ， t r c h l 中需要改变的比特值a n l j = 4 3 5 0 ，t r c h 2 中需要改变的比特值a n ：，j ：8 。 日u f f e r l l l t t c d m a r a t em j t o h i n 口1 图2 - 9 速率匹配模块的参数设置 ( 6 ) 第二次交织 该单元的构建和第一次交织一样，只是第一次交织是2 0 m s 为周期，第二次 交织是1 0 m s 为周期的无线帧。第二次交织是帧内交织，按行输入矩阵，交织后 逐列输出，删除多余的比特。 ( 7 ) 译码解复用 从第二次交织出来的二进制序列，需要经过物理信道的映射，再经过扩频、 加扰、调制后，发送出去。在接收端接收到信号后，进行解调、去扰、解扩， 然后送到译码解复用模块进行逆处理，主要包括解第二次交织、解复用、解速 率匹配、解第一次交织、译码。主要介绍一下译码的实现。 卷积编码一般采用v i t e r b i 译码，模块设置如下图2 1 0 ，参数t r e l l i ss t r u c t u r e 表 示译码器的结构，由编码器的结构决定。 图2 - 1 0v i t e r b i 译码的参数设簧 t u r b o 码的译码方法有m a p 算法，l o g m a p 算法、s o v a 算法等，这些算法的 中心思想是迭代原理，迭代的次数越多，译码性能越好。这里采用一种简化的 武汉理工大学硕士学位论文 译码方法叫u r b o 码的v i t e r b i 译码，如下图2 1 1 是t u r b o 译码器构成图， 其中解交织器是根据t u r b o 编码交织器结构建立的，信息进入译码器后，经过 译码器1 译码，进入交织器交织，把交织过后的信息送至第二译码器进行译码， 最后经过去交织后得到译码结果。 图2 - 1 1t u r b o 译码结构 下图2 1 2 是w c d m a 上行链路编码复用的仿真模型，该模型是完整的环回链 路，根据输入二进制信息，验证数据在链路中传输的正确性和仿真模型的性能。 i 业! 型i b er n o u l l ib i n ar y g e n e r a t o r l 口b 口凸 i p e r n o o , , ir 也! ! ! l b er n o u l l ib i n a g e n er a t o r l 一 g e 馆l f 叫c r ch l 皇! ! ! ! ! 划 g e n e r a ic r c g e n e r ；l t o t w c d m a h a n n e le n c o d i n g w c d m a c h a n n e le n c o d i n g 匝；网 w c d m a 1 矗i n t er l e a v er w c d m a 1 s t i n t er l e a v e r a t em a t c h 麓州谢蛎引慨 ? 而b p s k 霉孔i n t e