《通信原理》课程教学资源（案例）Turbo码在3G通信中的应用

Turbo码在3G通信中的应用1.Turbo码的研究现状对于Turbo码的研究最初集中于对其译码算法、性能界和独特编码结构的研究上，经过十多年来的发展历程，已经取得了很大的成果，在各方面也都走向使用阶段。Turbo码由于很好地应用了香农信道编码定理中的随机性编译码条件而获得了接近香农理论极限的译码性能。它不仅在信噪比较低的高噪声环境下性能优越，而且具有很强的抗衰落、抗干扰能力。目前，Turbo码的研究主要集中在以下几个方面：（1)编译码技术。编码方面主要包括对并行级联编码与串行级联编码的分析，以及对混合级联方式的研究：译码方面主要包括选代译码、译码算法（最大后验概率算法MAP、修正的MAP算法Max-Log-MAP、软输出Viterbi算法SOVA等）的研究。(2)Turbo码的设计和分析。主要包括交织器的设计、码的级联方式、译码算法、Turbo码的性能分析等。在性能分析中，主要对码重分布及距离谱进行分析，但由于没有相应的理论支持，这种分析只能是近似的，且仅局限于短码长、小码重的情况。(3）Turbo码在直扩（CDMA）系统中的研究及应用。Turbo码不仅在信道信噪比很低的高噪声环境下性能优越，而且还具有很强的抗衰落、抗干扰能力，因此它在信道条件差的移动通信系统中有很大的应用潜力，在3G系统（IMT-2000）中已经将Turbo码作为其传输高速数据的信道编码标准。3G系统（IMT-2000)的特点是多媒体和智能化，要能提供多元传输速率、高性能、高质量的服务，支持大数据量的多媒体业务。由于无线信道传输媒质的不稳定性及噪声的不确定性，一般的纠错码很难达到较高要求的译码性能(一般要求比特误码率小于10°e)，而Turbo码优异的译码性能，可以纠正高速率数据传输时发生的误码。另外，由于在直扩（CDMA）系统中采用Turbo码技术可以进一步提高系统的容量，所以有关Turbo码在直扩（CDMA）系统中的应用，也就受到了各国学者的重视。（4）面向分组的Turbo码。主要包括面向分组的Turbo码的构造、译码及译码器的分析

Turbo 码在 3G 通信中的应用 1. Turbo 码的研究现状 对于 Turbo 码的研究最初集中于对其译码算法、性能界和独特编码结构的研 究上，经过十多年来的发展历程，已经取得了很大的成果，在各方面也都走向使 用阶段。Turbo 码由于很好地应用了香农信道编码定理中的随机性编译码条件而 获得了接近香农理论极限的译码性能。它不仅在信噪比较低的高噪声环境下性能 优越，而且具有很强的抗衰落、抗干扰能力。目前，Turbo 码的研究主要集中在 以下几个方面： (1)编译码技术。编码方面主要包括对并行级联编码与串行级联编码的分析， 以及对混合级联方式的研究；译码方面主要包括迭代译码、译码算法（最大后验 概率算法 MAP、修正的 MAP 算法 Max-Log-MAP、软输出 Viterbi 算法 SOVA 等） 的研究。 (2)Turbo 码的设计和分析。主要包括交织器的设计、码的级联方式、译码 算法、Turbo 码的性能分析等。在性能分析中，主要对码重分布及距离谱进行分 析，但由于没有相应的理论支持，这种分析只能是近似的，且仅局限于短码长、 小码重的情况。 (3) Turbo 码在直扩(CDMA) 系统中的研究及应用。Turbo 码不仅在信道信 噪比很低的高噪声环境下性能优越，而且还具有很强的抗衰落、抗干扰能力，因 此它在信道条件差的移动通信系统中有很大的应用潜力，在 3G 系统(IMT-2000) 中己经将 Turbo 码作为其传输高速数据的信道编码标准。3G 系统(IMT-2000)的 特点是多媒体和智能化，要能提供多元传输速率、高性能、高质量的服务，支持 大数据量的多媒体业务。由于无线信道传输媒质的不稳定性及噪声的不确定性， 一般的纠错码很难达到较高要求的译码性能(一般要求比特误码率小于 e)， 而 Turbo 码优异的译码性能，可以纠正高速率数据传输时发生的误码。另外，由 于在直扩(CDMA) 系统中采用 Turbo 码技术可以进一步提高系统的容量，所以有 关 Turbo 码在直扩(CDMA) 系统中的应用，也就受到了各国学者的重视。 (4) 面向分组的 Turbo 码。主要包括面向分组的 Turbo 码的构造、译码及 译码器的分析。 6 10

(5）Turbo码与其它通信技术的结合。包括Turbo码与调制技术（如网格编码调制TCM)的结合、Turbo码与均衡技术的结合（Turbo码均衡）、Turbo码编码与信源编码的结合、Turbo码译码与接收检测的结合等等。Turbo码与OFDM调制差分检测技术相结合，具有较高的频率利用率，可有效地抑制短波信道中的多径时延、频率选择性衰落、人为干扰与噪声带来的不利影响。2.3G中Turbo码作用2.13G中的语音编码由于Turbo码的译码算法非常复杂，译码延时长，所以对于时延要求高的业务应用受限，卷积码在无线通信系统中其性能很好的满足了语音通信的要求，它与Turbo码相比具有编码延时小，实现简单的特点，并且卷积码的编码技术相当成熟，是2G的主要编码技术，所以在3G系统中的语音编码采用卷积码。2.23G中信道编码交织深度的选择Turbo码有较大的时延，使得它在对时延要求较高的话音业务中应用受到了限制，但对于其它无编译码时延要求或对时延要求较低的业务，Turbo码的作用就可以得到充分的发挥了。所以，在3G系统中，32kb/s（含32kb/s）以上的业务由Turbo码完成。Turbo码的译码性能除了受交织器随机化作用影响外，它很大程度上取决于交织深度，交织深度越大，译码的误码率越小。在3G系统中，业务速率由32kb/s到2Mb/s，10ms一顿，其顿长由此而来，320bit到20000bit如果顿长等于交织深度，Turbo码的译码性能将有很大的差别。为提高译码器性能，在一些低速业务的场合，可以用多顿组成一个数据块，以加大交织深度。2.3Turbo码在TD-SCDMA系统中的应用在TD-SCDMA系统中，根据不同业务种类的质量要求，将业务质量要求分为两个等级：10-和10（10-和10-代表误码率BER）。其信道编码方案的选择原则是：对于质量要求在10量级的业务，采用卷积码编码方式，对于质量要求在10-量级的业务，采用级联码编码方式。如图3.1所示：

(5) Turbo 码与其它通信技术的结合。包括 Turbo 码与调制技术(如网格编 码调制 TCM)的结合、Turbo 码与均衡技术的结合(Turbo 码均衡)、Turbo 码编码 与信源编码的结合、Turbo码译码与接收检测的结合等等。Turbo码与OFDM调制、 差分检测技术相结合，具有较高的频率利用率，可有效地抑制短波信道中的多径 时延、频率选择性衰落、人为干扰与噪声带来的不利影响。 2. 3G 中 Turbo 码作用 2.1 3G 中的语音编码 由于 Turbo 码的译码算法非常复杂，译码延时长，所以对于时延要求高的业 务应用受限，卷积码在无线通信系统中其性能很好的满足了语音通信的要求，它 与 Turbo 码相比具有编码延时小，实现简单的特点，并且卷积码的编码技术相当 成熟，是 2G 的主要编码技术，所以在 3G 系统中的语音编码采用卷积码。 2.2 3G 中信道编码交织深度的选择 Turbo 码有较大的时延，使得它在对时延要求较高的话音业务中应用受到了 限制，但对于其它无编译码时延要求或对时延要求较低的业务，Turbo 码的作用 就可以得到充分的发挥了。所以，在 3G 系统中，32 kb/s（含 32 kb/s）以上的业 务由 Turbo 码完成。Turbo 码的译码性能除了受交织器随机化作用影响外，它很 大程度上取决于交织深度，交织深度越大，译码的误码率越小。在 3G 系统中， 业务速率由 32kb/s 到 2 Mb/s，10 ms 一帧，其帧长由此而来，320 bit 到 20 000 bit， 如果帧长等于交织深度，Turbo 码的译码性能将有很大的差别。为提高译码器性 能，在一些低速业务的场合，可以用多帧组成一个数据块，以加大交织深度。 2.3 Turbo 码在 TD - SCDMA 系统中的应用 在 TD-SCDMA 系统中，根据不同业务种类的质量要求，将业务质量要求分 为两个等级: 3 10 和 6 10 ( 3 10 和 6 10 代表误码率 BER) 。其信道编码方案的选择 原则是: 对于质量要求在 3 10 量级的业务，采用卷积码编码方式;对于质量要求在 6 10 量级的业务，采用级联码编码方式。如图 3.1 所示:

外部RS编内部卷积编外部交织码码BER *10-3内部Turbo编码交织BER *10-6内部卷积编外部交织图3.1TD-CDMA系统的信道编码其中级联码是RS码与卷积码的串行级联或是特殊卷积码的并行级联，即Turbo码。在TD-SCDMA系统中，Turbo码作为高质量，高速率业务的编码方案，主要是由Turbo码超乎寻常的译码性能所决定的。计算机仿真结果表明在加性高斯白噪声无记忆信道（AWGN）下，对于传输同样长信息位的数据块，Turbo码可以比RS码与卷积码组成的串行级联码多1dB的编码增益，Turbo码已成为移动通信系统信道编码方案的重要组成部分。2.3.1Turbo码的3G交织器达到通信系统性能要求TD-SCDMA系统中Turbo码采用3G交织器，经过仿真，结果证明是非常适合移动通信中Turbo码编码的交织器，由于移动通信的特殊性，传输信息速率一定时，接收端对每一帧都必须已知该顿在发送端的交织模式，否则将给移动信道带来附加传输要求，对每顿都要求传送该顿的交织模式，以便在接收端能正常进行译码。基于这样的条件，移动通信系统中不能使用每顿交织模式变化的随机交织器，而必须采用交织模式固定的分组交织器（但普通的分组交织器是无法达到移动通信系统所要求的性能），3G交织也正是同时考虑交织模式固定和交织位置随机而设计出来的。2.3.2Turbo码的删余技术提高了码率TD-SCDMA要求非常高的传输速率，在Turbo码的应用中为了提高码率，往往采用删余技术，其目的是在满足编译码性能的条件下尽量提高码率。其具体的技术就是按一定的删余矩阵将编码输出序列中的某些比特删除，在译码端将册删

其中级联码是 RS 码与卷积码的串行级联或是特殊卷积码的并行级联，即 Turbo 码。在 TD-SCDMA 系统中，Turbo 码作为高质量，高速率业务的编码方 案，主要是由 Turbo 码超乎寻常的译码性能所决定的。计算机仿真结果表明在 加性高斯白噪声无记忆信道(AWGN) 下，对于传输同样长信息位的数据块， Turbo 码可以比 RS 码与卷积码组成的串行级联码多 1 dB 的编码增益，Turbo 码已成为移动通信系统信道编码方案的重要组成部分。 2.3.1 Turbo 码的 3G 交织器达到通信系统性能要求 TD-SCDMA 系统中 Turbo 码采用 3G 交织器，经过仿真，结果证明是非常 适合移动通信中 Turbo 码编码的交织器，由于移动通信的特殊性，传输信息速率 一定时，接收端对每一帧都必须已知该帧在发送端的交织模式，否则将给移动信 道带来附加传输要求，对每帧都要求传送该帧的交织模式，以便在接收端能正常 进行译码。基于这样的条件，移动通信系统中不能使用每帧交织模式变化的随机 交织器，而必须采用交织模式固定的分组交织器(但普通的分组交织器是无法达 到移动通信系统所要求的性能)，3G 交织也正是同时考虑交织模式固定和交织位 置随机而设计出来的。 2.3.2 Turbo 码的删余技术提高了码率 TD-SCDMA 要求非常高的传输速率，在 Turbo 码的应用中为了提高码率， 往往采用删余技术，其目的是在满足编译码性能的条件下尽量提高码率。其具体 的技术就是按一定的删余矩阵将编码输出序列中的某些比特删除，在译码端将删 图 3.1 TD-CDMA 系统的信道编码 方案 外部 RS 编 码 内部卷积编 码 内 部 交织 内部卷积编 码 外部交织 Turbo 编码 6 BER *10 3 BER *10 外部交织 器

除位用0或1对应信息补上，然后进行译码。因为在信道中噪声的原因，补上比特发生错误的概率为1/2，由于Turbo码具有很强的纠错能力，所以在一定的删除比特范围内删余不会给编码性能造成很大的影响。Turbo码的编码器对每一分组的信息的处理，可以看做是一个分组编码器，由于分量码是递归的，这就是使得很难通过多输入m(m为编码器的寄存器的个数）个0比特让编码器1和编码器2的编码结束状态同时为0.，栅格终止是指在输入信息比特输入完毕后，为了使编码器的结束状态回到0状态而多输入的比特，在每一分组结束，经栅格终止输入后就可以确定知道下一个分组的编码起始状态为全零状态。2.3.3Turbo码和TD-SCDMA系统扩频编码相结合实现多用户检测由于Turbo码有较强的抗衰落和抗多径干扰性能，可以把Turbo码和TDSCDMA系统扩频编码相结合实现多用户检测[3]。如图3.2d.Turbo码编码交织扩频传给校验信道Turbo码编码扩频交织图3.2基于Turbo码的TD-SCDMA系统的多用户检测设有M个用户，针对每个用户，先对其信息数据进行Turbo码编码，编码后的序列经交织后再进行扩频，其中Turbo码编码作为外码，而扩频码作为内码，之间用交织器级联起来，类似于级联码的形式。在接收端，先把接收数据送入匹配滤波器组，分离出各个用户的接收信息，然后根据信道模型计算传递条件概率并进行解扩，得到M个用户接收信息的后验概率后分别送入M个Turbo码译码器，每个Turbo码译码器得到一个软判决输出和一个外部信息，其中外部

除位用 0 或 1 对应信息补上，然后进行译码。因为在信道中噪声的原因，补上比 特发生错误的概率为 1/2，由于 Turbo 码具有很强的纠错能力，所以在一定的删 除比特范围内删余不会给编码性能造成很大的影响。 Turbo 码的编码器对每一分组的信息的处理，可以看做是一个分组编码器， 由于分量码是递归的，这就是使得很难通过多输入 m(m为编码器的寄存器的个 数)个 0 比特让编码器 1 和编码器 2 的编码结束状态同时为 0.，栅格终止是指在 输入信息比特输入完毕后，为了使编码器的结束状态回到 0 状态而多输入的比特， 在每一分组结束，经栅格终止输入后就可以确定知道下一个分组的编码起始状态 为全零状态。 2.3.3 Turbo 码和 TD-SCDMA 系统扩频编码相结合实现多用户检测 由于 Turbo 码有较强的抗衰落和抗多径干扰性能，可以把 Turbo 码和 TD - SCDMA 系统扩频编码相结合实现多用户检测[3]。如图 3.2 设有 M 个用户，针对每个用户，先对其信息数据进行 Turbo 码编码，编码 后的序列经交织后再进行扩频，其中 Turbo 码编码作为外码，而扩频码作为内 码，之间用交织器级联起来，类似于级联码的形式。在接收端，先把接收数据送 入匹配滤波器组，分离出各个用户的接收信息，然后根据信道模型计算传递条件 概率并进行解扩，得到 M 个用户接收信息的后验概率后分别送入 M 个 Turbo 码 译码器，每个 Turbo 码译码器得到一个软判决输出和一个外部信息，其中外部 Turbo 码编码 Turbo 码编码 交织 交织 扩频 扩频 传给校验信道 图 3.2 基于 Turbo 码的 TD-SCDMA 系统的多用户检测 k d k d

信息送回到分支概率产生器，作为下一次译码的先验信息，从而实现Turbo码的迭代译码。2.3.4TD-SCDMA中Turbo码仿真实验在对TD-SCDMA的仿真中，我们的Turbo码译码算法选用了Log-MAP算法，选代次数为8次。其中的传输信道(TrCH)处理和物理信道(PhCH)处理均按照TD-SCDMA标准要求实现。卷积码的译码使用vtierbi算法。下面是仿真的实验结果与分析理想的高斯白噪声信道下的Turbo码和卷积码性能比较为了测试Turbo码和卷积码的基本性能，该次仿真测试没使用PhCH信道部分的调制解调而直接将TrCH信道的数据通过高斯白噪声信道[3]。仿真条件：Turbo码的内部交织器大小为20*66.如图3.3曲线上行下行用户数信道模型信道编码比特率（kbps）端到端112.21AWGN1/3卷积码2164端到端AWGN1/3Turbo码图3.3理想AWGN下Turbo码和卷积码的误码率比较10Turbo码卷积码102世1031010'50.51.522.53013.5Eb/No(dB)

信息送回到分支概率产生器，作为下一次译码的先验信息，从而实现 Turbo 码 的迭代译码。 2.3.4 TD-SCDMA 中 Turbo 码仿真实验 在对 TD-SCDMA 的仿真中，我们的 Turbo 码译码算法选用了 Log-MAP 算 法，迭代次数为 8 次。其中的传输信道(TrCH)处理和物理信道(PhCH)处理均按 照 TD-SCDMA 标准要求实现。卷积码的译码使用 vtierbi 算法。下面是仿真的实 验结果与分析 理想的高斯白噪声信道下的 Turbo 码和卷积码性能比较 为了测试 Turbo 码和卷积码的基本性能，该次仿真测试没使用 PhCH 信道部 分的调制解调而直接将 TrCH 信道的数据通过高斯白噪声信道[3]。 仿真条件：Turbo 码的内部交织器大小为 20*66.如图 3.3 曲线 1 2 上行/下行 端到端 端到端 用户数 1 1 信道模型 AWGN AWGN 信道编码 1/3 卷积码 1/3Turbo 码 比特率（kbps） 12.2 64