信道編碼作業(yè)

1、.作業(yè)二廣播方式是一對多的傳輸，發(fā)送端對整個網(wǎng)絡(luò)中所有終端都發(fā)送數(shù)據(jù)包，包括不需要該數(shù)據(jù)的終端，廣播方式方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，組網(wǎng)成本低，缺點(diǎn)是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，造成帶寬資源的浪費(fèi)，而且容易引起廣播風(fēng)暴，不能在因特網(wǎng)上應(yīng)用;由于廣播方式無反饋信道，無法為每個用戶提供個性化服務(wù)。圖1動通信中的多播技術(shù)當(dāng)多個終端同時需要接收同一數(shù)據(jù)時，多播方式也就成為最佳選擇。多播方式也稱為組播方式，是一種多地址的廣播，它實(shí)現(xiàn)了從一點(diǎn)同時向多點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸方式，并且只有多播組群中的用戶能接收到發(fā)送數(shù)據(jù)的，這樣相對于廣播技術(shù)能在很大程度上節(jié)省帶寬。同時，多播也是相對于單播而言的，當(dāng)多播組群中只有一個多播成員時，多

2、播方式也可以看作是單播的形式。多播方式廣泛應(yīng)用于有線網(wǎng)絡(luò)，有基礎(chǔ)的移動網(wǎng)絡(luò)以及自組織網(wǎng)絡(luò)。本文主要研究移動通信網(wǎng)絡(luò)中的多播技術(shù)，如圖1示。多播系統(tǒng)的主要參數(shù)隨著廣播業(yè)務(wù)的發(fā)展，對于一個采用多播方式的通信系統(tǒng)，衡量系統(tǒng)性能的無線自適應(yīng)多播系統(tǒng)跨層設(shè)計的研究主要參數(shù)有：1.吞吐量和頻譜利用率:吞吐量可以認(rèn)為是在單位時間內(nèi)，單位頻譜上正確傳輸?shù)男畔⒈忍財?shù)，公式描述為Rc=正確譯碼的信息位比特/發(fā)送的所有比特。吞吐量Rc是無量綱參數(shù)，主要在未調(diào)制的通信系統(tǒng)中考慮，反映的是數(shù)據(jù)在傳輸中的有效性，同時也是系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)時，信道編碼的等效碼率。當(dāng)?shù)刃Тa率越高時，比特流中的信息長度占碼字總長度的比重就越大，信息

3、傳送的速率就越高。當(dāng)存在高階調(diào)制時，通常使用頻譜利用率來分析系統(tǒng)性能。頻譜利用率定義為單位時間，單位帶寬內(nèi)可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率，單位為bit/s/Hz。如果通過數(shù)據(jù)傳輸時的等效碼率，也即吞吐量為Rc，當(dāng)使用調(diào)制級數(shù)為的M-QAM映射方式時，頻譜利用率公式即為:當(dāng)采用BPSK調(diào)制時，Mn=2采用4-QAM調(diào)制時，Mn=4，當(dāng)采用64-QAM調(diào)制時，Mn=64。的量綱是比特/符號。在自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)中，調(diào)制階數(shù)越高，在相同的頻帶寬度上可以提供更高的傳輸速率。一般來說，頻譜利用率與吞吐量的本質(zhì)上是一致的，都反映了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸?shù)挠行浴?誤比特率與誤包率:誤比特率定義為錯誤接收的比特在傳送總比特中所占的比

4、例，也可以認(rèn)為是單個比特發(fā)生錯誤的概率。在同等信噪比條件下，使用高階調(diào)制的平均誤比特率比低階調(diào)制更高。誤包率是接收端錯誤接收到的信息包的個輸在所有傳送的信息包的中的比例。接收端對接收的信息包進(jìn)行CRC校驗(yàn)，當(dāng)CRC校驗(yàn)出錯時，發(fā)送自動重傳請求。由于系統(tǒng)的重傳次數(shù)有限，當(dāng)達(dá)到最大重傳次數(shù)時接收包的CRC校驗(yàn)仍然錯誤時，則認(rèn)為該信息包錯誤，統(tǒng)計入誤包數(shù)目。其中，重傳的信息數(shù)據(jù)包的個數(shù)并不統(tǒng)計入所有傳送信息包的總個數(shù)當(dāng)中。在自動重傳請求系統(tǒng)中，通常還會涉及到首次誤包率與殘余誤包率。首次誤包率是指具有重傳功能的系統(tǒng)中，在第一次傳輸時錯誤包比例，也可以稱為物理層的瞬時誤包率。殘余誤包率是從鏈路層角度觀察

5、到的，指經(jīng)過重傳系統(tǒng)有限次重傳后，數(shù)據(jù)包仍然錯誤的比例。誤比特率與誤包率都是反映了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃浴?.平均傳輸次數(shù):平均傳輸次數(shù)指系統(tǒng)中一個信息包被正確接收時平均所要傳輸?shù)拇螖?shù)，可以表示為：平均傳輸次數(shù)二實(shí)際傳輸包數(shù)目之和/原始的信息數(shù)據(jù)包個數(shù)。實(shí)際傳輸包數(shù)目之和包括原始信息數(shù)據(jù)包數(shù)目與重傳信息數(shù)據(jù)包數(shù)目之和。通常平均傳輸次數(shù)用來反映系統(tǒng)的延時性能。自動重傳請求自動重傳請求是一種用來在數(shù)據(jù)鏈路層保證端。到端之間正確傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其組成原理如圖所示。ARQ系統(tǒng)需要雙向信道，一般通過循環(huán)冗余校驗(yàn) (CyclieRedundaneyCheek，CRC)來判斷正誤。在發(fā)送端，信源產(chǎn)生信息碼

6、元在編碼器中加入CRC校驗(yàn)碼，暫存于緩沖存儲器后發(fā)送。接收端接收到碼字后，首先進(jìn)行CRC校驗(yàn)，若校驗(yàn)失敗，則由ARQ生成器產(chǎn)生一重發(fā)指令NAcK，經(jīng)過反向信道送回至原發(fā)送端，這時，發(fā)送端的ARQ控制器將緩沖存儲器中的數(shù)據(jù)重新發(fā)一次，接收端清除輸出緩沖存儲器，丟棄該數(shù)據(jù)幀。若接收端CRC校驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)錯誤，則經(jīng)反向信道發(fā)出確認(rèn)的指令A(yù)CK，并將數(shù)據(jù)上傳至高層，發(fā)送端收到此指令后，刪除發(fā)送端緩沖中的內(nèi)容并繼續(xù)發(fā)送下一碼組。ARQ系統(tǒng)組成框ARQ方式主要優(yōu)點(diǎn)是:需要CRC校驗(yàn)碼元非常少，一般僅占總碼元的5%一10%，但是卻能獲得良好的輸出誤碼率;CRC校驗(yàn)過程相比于FEC譯碼簡單，能夠減少設(shè)備的復(fù)雜度;

7、CRC校驗(yàn)碼與信道的差錯統(tǒng)計特性無關(guān)，因此也可以用于自適應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域。ARQ方式主要缺點(diǎn)是:信道利用率不高，當(dāng)信道干擾較大時，系統(tǒng)處于循環(huán)重發(fā)的狀態(tài)，造成延時過大;ARQ方式需要反向信道用以發(fā)送反饋包，因此對于廣播等單向傳輸?shù)南到y(tǒng)并不適用。吞吐量(BPS)準(zhǔn)則:吞吐量準(zhǔn)則的傳輸目的是在保證系統(tǒng)能夠達(dá)到最大的頻譜利用率，但是不能保證系統(tǒng)的誤比特率性能。吞吐量準(zhǔn)則側(cè)重于傳輸?shù)挠行?。吞吐量?zhǔn)則的閡值的確定是使用不同調(diào)制曲線的相交點(diǎn)。不同調(diào)制方式的吞吐量曲線作業(yè)四協(xié)作自動重傳協(xié)議由于無線信道的易錯性，差錯控制技術(shù)一直是無線信道中收到廣泛關(guān)注的技術(shù)。常用的差錯控制方法有兩種一種是通過自動重傳(Autom

8、aticRepeat-reQuest，ARQ)，另外一種是通過前向糾錯碼(Forward ErrorCorrection,FEC)。在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，發(fā)送端和接收端之間只有一條單向數(shù)據(jù)通路，因此，即使數(shù)據(jù)不能被接收端正確接收，接收端也只能選擇丟棄或者將錯誤數(shù)據(jù)匯報給上層，所以這種通信方式無法保證通信的可靠性。自動重傳請求是一種雙向通信方式，它在發(fā)送端和接收端之間引入了反向鏈路，用來將數(shù)據(jù)幀是否在接收端正確接收的信息反饋回發(fā)送端，從而使得發(fā)送端可以根據(jù)反饋信息，按照指定的重傳策略選擇下一幀要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。ARQ協(xié)議采用自動重傳請求實(shí)現(xiàn)差錯控制的通信系統(tǒng)框圖如圖1-1示，對于采用ARQ的通信系統(tǒng)

9、而言，需要在發(fā)送端對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行檢錯編碼，如循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC），而在接收端通過檢錯碼譯碼檢測此次數(shù)據(jù)傳輸是否成功，并通過反饋控制器將檢測結(jié)果反饋回發(fā)送端，發(fā)送端根據(jù)接收端反饋的信息，以指定策略實(shí)現(xiàn)重傳控制。圖1-1ARQ通信系統(tǒng)框圖由于采用了重傳機(jī)制，ARQ方案的實(shí)現(xiàn)要求發(fā)送端和接收端提供對于數(shù)據(jù)分組的緩沖力，發(fā)送端的重傳緩沖器用于存儲已經(jīng)發(fā)送但未被確認(rèn)的分組，而接收端的接收緩沖器用存儲已成功被接收但仍在等待按序輸出的分組。根據(jù)反饋和重傳策略的不同，ARQ主要為三種標(biāo)準(zhǔn)形式：停等協(xié)議ARQ、連續(xù)ARQ和選擇重傳ARQ，相應(yīng)的，這三種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)所對應(yīng)的發(fā)送端和接收端的可用存儲空間大小S1和S2

10、也有所不同。前向糾錯(FEC)前向糾錯碼是具有糾錯功能的信道編碼。在前向糾錯碼方案中，發(fā)送端采用信道編碼算法，根據(jù)原始信息比特生成冗余的校驗(yàn)比特，與信息比特一同發(fā)送，接收端執(zhí)行對應(yīng)的譯碼算法，從接收碼字中恢復(fù)出原始信息比特。利用前向糾錯方式進(jìn)行差錯控制的數(shù)字通信系統(tǒng)框圖如圖1-2示。圖1-2FEC通信系統(tǒng)框圖采用前向糾錯碼，接收端收到編碼碼字后，通過糾錯碼譯碼器能夠糾正在該糾錯碼糾錯范圍內(nèi)的錯誤，從而在信道誤碼率不變的條件下可以獲得較低的誤比特率。香農(nóng)信道容量理論3指出：對于一個通信信道而言，存在著信道容量的理論上限，即香農(nóng)限，在這個上限之內(nèi)，信息的無錯傳輸理論上是可以實(shí)現(xiàn)的。信道編碼研究的目

11、的就是尋找最逼近于香農(nóng)限的糾錯碼，從而最大限度的提高整個通信系統(tǒng)的傳輸效率。作業(yè)五LTE信道編碼的研究摘要LTE是3GPP組織為WCDMA、TD-SCDMA、HSPA等各種3G移動通信標(biāo)準(zhǔn)制定的長期演進(jìn)，旨在增加系統(tǒng)的頻譜利用率、提高數(shù)據(jù)的傳輸率和降低系統(tǒng)的傳輸延遲。在無線通信系統(tǒng)中，由于信道會引入噪聲干擾，所以要實(shí)現(xiàn)可靠通信就需要考慮到信道編碼的問題。LTE系統(tǒng)對信息速率和可靠性提出了更高的要求，這很大程度上依賴于信道編碼的性能。所以研究LTE系統(tǒng)中的信道編碼對整個LTE系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。針對LTE系統(tǒng)中的信道編碼技術(shù)，本文進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析和研究，對Turbo碼進(jìn)行了深入的分析，并

12、進(jìn)行了各方面的比對，最后完成LTE信道編碼的DSP實(shí)現(xiàn)。文章首先簡要介紹了第三代移動通信和LTE系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，并分析了信道編碼的研究意義，隨后介紹了信道編碼的基礎(chǔ)知識及信道編碼現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了Turbo碼的研究現(xiàn)狀。其次分別介紹了Turbo碼編譯碼原理，然后重點(diǎn)介紹了Turbo碼譯碼算法并說明了各算法的優(yōu)劣。深入分析了Turbo碼的吞吐率、復(fù)雜度，并完成對比，而后在不同碼率和碼長下進(jìn)行了Turbo碼性能的仿真對比，并給出了LTE系統(tǒng)中采用的信道編碼方案，并完成該方案Turbo碼的性能測試和LTE信道編碼方案的鏈路仿真測試。最后給出了LTE信道編碼方案的硬件實(shí)現(xiàn)流程并在多核DSP MSC815

13、6上完成驗(yàn)證測試，并分析了測試結(jié)果及系統(tǒng)資源占用率，結(jié)果表明了該方案的工程可實(shí)現(xiàn)性。關(guān)鍵詞：LTE，信道編碼，Turbo碼，多核DSPTurbo碼巧妙地將卷積碼和隨機(jī)交織器結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)編碼的思想，同時采用軟輸出迭代譯碼來逼近最大似然譯碼。本章將以介紹Turbo碼的編碼原理和譯碼原理為主，其次介紹在Turbo碼中較為常用的交織器，最后重點(diǎn)介紹了Turbo譯碼常用的算法。1.1 Turbo碼原理1.1.1 Turbo碼編碼原理最開始提出的Turbo碼是并行級聯(lián)卷積碼結(jié)構(gòu)（PCCC）的，如圖1-1。圖1-1 PCCC編碼器結(jié)構(gòu)Turbo碼編碼器主要由分量編碼器、交織器、刪余及復(fù)用功能模塊組

14、成。分量碼一般選用遞歸系統(tǒng)卷積（RSC）碼，當(dāng)然也可以是分組碼（BC）、非遞歸卷積（NRC）碼以及非系統(tǒng)卷積（NSC）碼，但分量碼的最佳選擇是RSC碼。通常情況下兩個分量碼是相同的，當(dāng)然也可以選用不同的分量碼以達(dá)到特定的目的。在Turbo碼的編碼過程中，信息序列u經(jīng)過交織器后，形成一個新的序列u1。然后將這兩個序列u與u1分別被傳送到兩個分量編碼器（RSC1,RSC2）中進(jìn)行編碼，令生成的編碼序列分別為X1和X2。將序列X1和X2經(jīng)過刪余器，刪除一些校驗(yàn)位，形成校驗(yàn)序列X，這樣做的目的是為了提高碼率。最后將校驗(yàn)序列X與未編碼的系統(tǒng)信息X經(jīng)過復(fù)用生成Turbo碼的編碼序X。多維Turbo碼的實(shí)現(xiàn)需要增加分量碼的個數(shù)，將多維Turbo碼與刪余相結(jié)合可以得到任意碼率的Turbo碼。多維Turbo碼的一般性結(jié)構(gòu)如圖2-2。圖1-2多維Turbo碼編碼器結(jié)構(gòu)在AWGN信道上對并行級聯(lián)卷積碼（PCCC）的性能仿真會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)誤比特隨著信