Turbo乘积码技术及其在B3G移动通信系统中的应用

摘要

随着B3G（BeyondThirdGeneration）移动通信系统高速率业务需求的不断增加，前向纠错码和信号处理技术已越来越受到人们的广泛关注。本文着重研究迭代的Turbo类前向纠错码的一个子类——Turbo乘积码（TPC,TurboProductCode）及其在B3G移动通信系统中的应用问题。B3G移动通信系统中的主要技术是正交频分复用（OFDM,OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）技术、采用多个发射天线和多个接收天线的多输入多输出（MIMO,Multiple-InputMultiple-Output）技术以及这两种技术的相互结合。本文首先研究了Turbo乘积码的编译码原理，提出了Turbo乘积码的并行迭代译码原理框图。Turbo乘积码从编码的角度看属于乘积码，从译码的角度看是Turbo码的一种延伸。Turbo乘积码是多维的分组码，由两个、三个或多个分组码构成。本文比较了乘积码的发展过程中曾经诞生过的几种硬判决和软判决译码算法，在实现复杂度和纠错性能上都不同。但Turbo乘积码采用迭代的软输入软输出(SISO，Soft-InputSoft-Output)译码方式，本文还对一种新近出现的Turbo乘积码的并行迭代译码器与传统的串行迭代译码器进行了比较。Turbo乘积码码率构造灵活，实现复杂度低，在10-5比特错误率(BER,BitErrorRate)下不具有错误平层。因此，它是未来宽带移动通信系统中一种先进的前向纠错（FEC,ForwardErrorCorrection）信道编码方式。本文接着从系统误比特率的角度研究了Turbo乘积码在B3G移动通信系统中的应用。所有应用中都假定是理想信道估计，且严格同步。本文第一个方面的应用研究是Turbo乘积码与空时分组码(STBC,Space-TimeBlockCode)的结合。为了加深对无线通信系统整体的认识，本文分析了无线信道小尺度传播模型。这些分析对构造移动通信系统有重要作用。平坦Rayleigh衰落信道是从信道的频率选择性以及包络统计特性两方面的结合产生的一种小尺度(Small-scale)衰落信道类型，也是移动通信研究者广泛采用的一种最简单的信道类型，它是单径的，由此可以组合成频率选择性Rayleigh衰落信道，如本文中采用的IMT-2000信道就属II此类。然后本文介绍了空时分组码的构造和特性。本文将提出的系统应用于多入单出（MISO,Multiple-InputSingle-Output）平坦Rayleigh衰落信道并做了大量的仿真。当选定一种Turbo乘积码时，通过调节调制方式和空时分组码的码率保持系统总的频谱效率不变。空时分组码编译码简单但不能提供大量的编码增益，仿真结果表明：将编码增益较高的Turbo乘积码与空时分组码级联具有较好的性能。本文第二个方面的应用研究是在编码的OFDM（COFDM,codedOFDM）系统中使用Turbo乘积码，并构造了单用户单入单出的SISO-OFDM系统。为了加深对该系统的认识，本文分析了OFDM符号的时频结构、OFDM系统的基本模型。该系统在IMT-2000信道下的上行链路进行仿真后的结果表明：在信噪比大于15dB时，其误码率可达到10-6。本文第三个方面的应用研究是将Turbo乘积码与空时分组码以及OFDM结合构成基于Turbo乘积码的STBC编码的MIMO-OFDM系统。空时分组码在此作为MIMO的一种实现方式。在频率选择性衰落信道中，传统的MIMO系统将由于符号间干扰的影响而受到较大的损伤。因此，可将MIMO技术应用于OFDM系统，从而应用于宽带信道中。本文分析了多天线收发的MIMO-OFDM系统信道频率响应特性。描述了两发两收STBC编码的MIMO-OFDM仿真实现。推导了采用最大比合并的接收分集系统信道容量特性，该信道容量特性也适合STBC编码的MIMO-OFDM系统。对提出的系统在IMT-2000信道下进行仿真结果表明：Turbo乘积码的码率及IMT-2000的信道类型对整个系统的性能有决定性作用。这为今后设计自适应编码调制的MIMO-OFDM系统提供了重要参考。