LTE-A上行链路关键技术仿真研究

论文总字数：24759字

摘 要

本文主要研究3GPP长期演进（Long Term Evolution, LTE）标准中的Turbo编解码技术，Turbo码以其近Shannon界的优异性能引起了广泛关注。同时，对同样性能卓越的低密度奇偶校验码（LDPC码）以及咬尾卷积码进行简介和理论分析。

本文首先针对当今信道编码技术进行了简介，包括LDPC码和咬尾卷积码。通过编码原理及基本译码算法对这两种编码方式进行介绍。

其次，本文分析研究Turbo编码器的基本结构与原理，简介并分析RSC码作为Turbo码子码编码器的原因；接着，研究LTE标准规定下的Turbo编码体系结构，并对传输函数及编码过程进行详细阐述；并对LTE新采用的QPP交织器进行原理分析及算法推导。

Turbo译码方面，首先分析研究Turbo码译码器的基本结构与思想，并对基础译码算法BCJR算法进行公式推导与数学解释；接着，详细阐述LTE标准下Turbo译码器体系结构；然后，针对最大后验概率（MAP）算法进行详细分析与数学推导，并对由MAP引申出的Log-MAP及Max-Log-MAP算法进行介绍。

最后，论文从调制方式、迭代次数及Max-Log-MAP算法修正系数方面对Turbo编解码过程进行仿真比对，从而验证Turbo码的相关性质以及性能分析。

关键词：LDPC码；Turbo码 ；LTE ；QPP交织器；MAP算法；

Abstract

The main focus of this paper is Turbo codes under the 3GPP Long Term Evolution (LTE) standard , which has attracted wide attention its excellent performance near Shannon limit . Besides , two equally-high-performance codes Low Density Parity Check codes (LDPC codes) and Tail Biting Convolutional Codes are also briefly introduced and theoretically analyzed in this thesis.

Firstly , the paper gives brief introductions to the modern channel coding technology .Two important codes including LDPC codes and Tail Biting Convolutional codes are introduced with its encoding methods and decoding algorithm.

Secondly, we analyze and study Turbo encoder basic structure and principle , and we also profile the reason why RSC codes are selected as the Turbo encoder. After that , we study the Turbo encoding architecture end the LTE standard in terms of its transfer function and detailed encoding process. Also , the newly-introduced LTE QPP interleaver is discussed through algorithm analysis and Mathematical derivation.

In chapter 3 , Turbo decoding is the key part of the paper. Basic Turbo code decoder is discussed through its structure and ideology , and we derive and profile BCJR algorithm by means of mathematical explanation. A important decoding algorithm MAP is discussed , and Log-MAP ,as well as, Max-Log-MAP algorithms are also introduced.

Finally , the paper verifies the nature and analyze overall performance of Turbo codes through simulation in terms of modulation scheme ,the number of iterations and correction coefficient in Max-Log-MAP algorithm.

Keywords: LDPC codes; Turbo codes ; LTE ;QPP interleaver ;MAP algorithm

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

目录 Ⅲ

第一章 绪论 1

1.1 LTE-A无线通信系统简介 1

1.2信道编解码技术背景简介 2

1.3 LTE-A标准的信道编码方案 4

1.4 论文的研究内容 5

第二章 信道编码技术简介 7

2.1 LDPC码简介 7

2.1.1 LDPC码的构成 7

2.1.2 LDPC码的概率译码 12

2.2 咬尾卷积码简介 14

2.2.1咬尾卷积码的编码 14

2.2.2咬尾卷积码的译码 16

第三章LTE系统中的Turbo编解码 16

3.1 Turbo编码器 16

3.1.1 Turbo编码器体系结构 17

3.1.2 RSC码简介 17

3.1.3 LTE标准的Turbo编码器 18

3.1.4 传输函数及工作步骤 19

3.1.5 QPP交织器 20

3.2 Turbo译码器 23

3.2.1 Turbo译码器的基本结构与原理 23

3.2.2 BCJR算法简介 24

3.2.3 LTE标准下的Turbo译码器体系结构 26

3.2.4 MAP算法简介 27

3.2.5 基于MAP的改进算法 29

3.3 本章小结 30

第四章 Turbo码译码性能仿真比对 32

4.1不同修正系数的仿真比对 32

4.2 不同调制方式的仿真对比 33

4.3 不同迭代次数的仿真比对 34

全文总结 37

致谢 38

参考文献（References） 39

第一章 绪论

长期演进（Long Term Evolution, LTE）是第三代合作伙伴计划（3GPP）在2004年末启动的一个关于3G技术的演进项目。通过引入OFDM、MIMO等核心技术和对空中接力技术的不断改进以及优化，使得LTE能在峰值速率上做到：1）下行100Mbps@20Mhz；2）上行50Mbps@20Mhz的优异性能。而作为LTE改进版本的LTE-Advanced开始于2008年3月，于2008年5月确定需求。它能够满足ITU-R的MT-Advanced技术需求，不仅为3GPP形成欧洲MT-Advanced技术提案的一个重要来源，而且作为一个后向兼容的技术，能够完全兼容LTE。LTE-A能提供下行1Gbps和上行500Mbps的峰值速率（带宽为100MHz）。^[1]

• 1. LTE-A无线通信系统简介

作为LTE的技术改进版本的LTE-Advanced，不仅需要在性能做到向下的兼容性（即与LTE系统），同时也要满足并超越ITU-R的MT-Advanced的所提出的技术需求。

表1.1 LTE-A与LTE在3GPP规定下的主要指标与技术需求

LTE-A采取了多个关键技术，以应对IMT-Advanced的严苛技术需求与高性能指标，这些核心技术主要是：

1）载波聚合技术（Carrier Aggregation, CA），通过扩展频域来使得带宽的扩大;

2) 上行多天线；

3）下行多天线增强；

4）中继技术（Relay）；

5）多点协作技术（Coordinate Multi-Point）；

6）异构网增强型小区干扰消除技术，通过该技术可以解决异构网范畴内，不同类别基站的相互干扰问题。^[2]

随着引进这些核心技术，使得LTE-A在严苛的需求上表现出极其优异的性能。

1.2信道编解码技术背景简介

一个可靠的通信系统需要把信息从信源准确无误地传递到接收端。一般来说，信道中的噪声往往是不可避免的，这会造成数字通信系统中的输出和输入序列中间的错误（差异）。通常，对于一个相对多噪声信道（以无线通信信道为例），差错概率可能将达到10^-1，这意味着每发送10个比特平均地就只有9个才能被正确接收。很显然，这样的可靠性等级在很多应用中是无法接受的。在实际应用中，通常要求差错概率等于10^-6或更小。因此，信道编码技术应运而生。

信道编码的设计目标是增强数字通信系统对信道噪声的抵抗能力。信道编码就是讲输入数据序列映射到信道输入序列，将信道输出序列逆映射到输出数据序列，如此一来，能够最小化信道噪声对系统的整体影响。通常情况下，发射机中的信道编码器将完成第一个映射操作；接收机中的信道译码器将完成第二个映射操作。值得注意的是，信道编码器和译码器都是通过设计者本身进行控制的，这样的好处在于可以极大地优化整个通信系统的可靠性。一般采取的方法就是在信道引入冗余，使得重构原始信源序列能够以较高的精确性进行重构。广义的来说，可以将信道编码看做是信源编码的重复过程。在编码器中引入受控制的冗余可以使可靠性得到提高，而在译码器中则需要减少冗余从而提高有效性。数字通信系统框图如图1.1所示。

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