TDSCDMA系统信道编码技术研究毕业设计论文.docx
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TDSCDMA系统信道编码技术研究毕业设计论文
本科毕业设计(论文)
题目:
TD-SCDMA系统信道编码技术研究
院(系)信息科学与工程学院
专业通信工程
届别2012
学号0815232021
姓名王喆
指导老师彭盛亮
摘要
随着无线通信的发展,特别是在未来4G通信中,高速传输和高可靠性传输成为信息传输的两个主要方面。
无线信道状况通常比较恶劣,信号不可避免会受到干扰而出错,所以可靠性尤其重要。
为实现可靠性通信,常用的方法有两种:
一种是增加发送信号的功率,提高接收端的信号噪声比;另一种是采用编码的方法对信道差错进行控制。
前者常常受客观条件限制,不是所有场景都能采用。
因此差错控制编码得到了广泛应用。
本文介绍了TD-SCDMA移动通信系统及其信道编码技术,着重介绍了卷积码的编码方法。
论文搭建了通信系统模型,编写卷积码的编码程序,用MATLAB仿真软件对TD-SCDMA通信系统中2种不同码率(1/2码率与1/3码率)的卷积编码的纠错性能进行验证,并且对信源序列经过卷积编码、QPSK调制、AWGN信道、解调以及Viterbi解码后的误码率进行仿真和分析。
关键词:
信道编码;TD-SCDMA;卷积码;误码率。
ResearchonChannelCodingTechniquesfor
TD-SCDMASystem
Abstract
Withthedevelopmentofwirelesscommunication,especiallyinthefuture4Gcommunication,high-speedtransmissionandhigh-reliabilitytransmissionarebothofvitalimportanceforinformationtransmission.Consideringthebadconditionofwirelesschannel,thesignalinevitablysuffersfrominferenceanddistortion,andthusreliabilityisextremelycritical.Thereusuallyexisttwowaystoachievereliablecommunication:
Oneistoincreasethetransmittedsignalpower,whichresultsinincreaseinthereceivedsignaltonoiseratio;Anotheristheuseofcodingmethodstoeliminatethechannelerror.Theformercannotbeadoptedinallenvironments,therebyerrorcontrolcodinghasbeenwidelyapplied.
ThisthesisdescribestheTD-SCDMAmobilecommunicationsystemanditschannelcodingtechniques,whichhighlightstheconvolutionalcodeencodingmethod,setsupacommunicationsystemmodel,providesconvolutionalcodeencodingprogram,usesMATLABsimulationsoftwaretoverifycorrectionperformanceoftheconvolutionalcodesofdifferentbit-rate(1/2rateand1/3rate)intheTD-SCDMAcommunicationsystem,andanalyzestheBERofoutputsequencesthathavegonethroughtheconvolutionalcoding,QPSKmodulation,AWGNchannel,demodulation,andViterbidecoding.
Keywords:
ChannelCoding;TD-SCDMA;ConvolutionalCodes;BER.
第1章TD-SCDMA介绍······························································4
1.1TD-SCDMA介绍·································································4
1.1.1TD-SCDMA的发展过程·····················································5
1.1.2TD-SCDMA标准的现状·····················································5
1.1.3TD-SCDMA标准的后续发展·························································6
1.1.4中国TD与美、欧3G技术的优缺点·········································7
1.2TD-SCDMA信道编码介绍························································7
1.2.1信道编码介绍····························································7
1.2.2卷积编码介绍····························································8
第2章TD-SCDMA卷积编码的实现··················································10
2.1卷积码的解析表示法·························································10
2.2卷积编码器的实现····························································12
2.2.1卷积编码器原理·························································12
2.2.2卷积编码器程序设计····················································13
2.3卷积编码仿真································································14
2.31.1(2,1)卷积码的仿真······················································14
2.31.2(3,1)卷积码的仿真······················································15
第3章误码率分析································································18
3.1仿真通信系统模型····························································18
3.2误码率分析···································································18
3.2.1(2,1)卷积码的误码率曲线···············································18
3.2.2(3,1)卷积码的误码率曲线···············································21
3.2.3(2,1)卷积码与(3,1)卷积码的星座图····································23
第4章总结······································································28
参考文献·············································································29
致谢·············································································30
附录·············································································31
第1章TD-SCDMA介绍
1.1TD-SCDMA介绍
TD-SCDMA,TimeDivision-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess,即时分同步的码分多址技术,是ITU正式发布的第三代移动通信空间接口技术规范之一,它得到了CWTS及3GPP的全面支持。
TD-SCDMA是集CDMA、TDMA、FDMA技术优势于一体、系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强的移动通信技术。
它采用了智能天线、联合检测、接力切换、同步CDMA、软件无线电、低码片速率、多时隙、可变扩频系统、自适应功率调整等技术。
TD-SCDMA为TDD模式,在应用范围内有其自身的特点:
一是终端的移动速度受现有DSP运算速度的限制只能做到240km/h;二是基站覆盖半径在15km以内时频谱利用率和系统容量可达最佳,在用户容量不是很大的区域,基站最大覆盖可达30-4km。
所以,TD-SCDMA适合在城市和城郊使用,在城市和城郊这两个不足均不影响实际使用。
因在城市和城郊,车速一般都小于200km/h,城市和城郊人口密度高,因容量的原因,小区半径一般都在15km以内。
而在农村及大区全覆盖时,用WCDMAFDD方式也是合适的,因此TDD和FDD模式是互为补充的。
TDD模式是基于在无线信道时域里,周期地重复TDMA帧结构实现的。
这个帧结构被再分为几个时隙。
在TDD模式下,可以方便地实现上/下行链路间地灵活切换。
这一模式的突出的优势是,在上/下行链路间的时隙分配可以被一个灵活的转换点改变,以满足不同的业务要求。
这样,运用TD-SCDMA这一技术,通过灵活地改变上/下行链路的转换点就可以实现所有3G对称和非对称业务。
合适的TD-SCDMA时域操作模式可自行解决所有对称和非对称业务以及任何混合业务的上/下行链路资源分配的问题。
TD-SCDMA的无线传输方案综合了FDMA、TDMA和CDMA等基本传输方法。
通过与联合检测相结合,它在传输容量方面表现非凡。
通过引进智能天线,容量还可以进一步提高。
智能天线凭借其定向性降低了小区间频率复用所产生的干扰,并通过更高的频率复用率来提供更高的话务量。
基于高度的业务灵活性,TD-SCDMA无线网络可以通过无线网络控制器(RNC)连接到交换网络,如同三代移动通信中对电路和包交换业务所定义的那样。
在最终的版本里,计划让TD-SCDMA无线网络与INTERNET直接相连。
TD-SCDMA所呈现的先进的移动无线系统是针对所有无线环境下对称和非对称的3G业务所设计的,它运行在不成对的射频频谱上。
TD-SCDMA传输方向的时域自适应资源分配可取得独立于对称业务负载关系的频谱分配的最佳利用率。
因此,TD-SCDMA通过最佳自适应资源的分配和最佳频谱效率,可支持速率从8kbps到2Mbps的语音、互联网等所有的3G业务。
根据ITU的要求和原邮电部的准备,我国于1998年6月底向国际电联提交了我国对IMT2000无线传输技术(RTT)的建议(TD-SCDMA)。
2000年5月5日,国际电联正式公布了第三代移动通信标准,我国提交的TD-SCDMA已正式成为ITU第三代移动通信标准IMT2000建议的一个组成部分。
我国自主知识产权的TD-SCDMA、欧洲WCDMA和美国CDMA2000成为3G时代最主流的技术。
1.1.1TD-SCDMA的发展过程
1998年初,在当时的邮电部科技司的直接领导下,由电信科学技术研究院组织队伍在SCDMA技术的基础上,研究和起草符合IMT-2000要求的我国的TD-SCDMA建议草案。
该标准草案以智能天线、同步码分多址、接力切换、时分双工为主要特点,于ITU征集IMT-2000第三代移动通信无线传输技术候选方案的截止日1998年6月30日提交到ITU,从而成为IMT-2000的15个候选方案之一。
ITU综合了各评估组的评估结果,在1999年11月赫尔辛基ITU-RTG8/1第18次会议上和2000年5月在伊斯坦布尔的ITU-R全会上,TD-SCDMA被正式接纳为CDMATDD制式的方案之一。
CWTS(中国无线通信标准研究组)作为代表中国的区域性标准化组织,从1999年5月加入3GPP以后,经过4个月的充分准备,并与3GPPPCG(项目协调组)、TSG(技术规范组)进行了大量协调工作后,在同年9月向3GPP建议将TD-SCDMA纳入3GPP标准规范的工作内容。
1999年12月在法国尼斯的3GPP会议上,我国的提案被3GPPTSGRAN(无线接入网)全会所接受,正式确定将TD-SCDMA纳入到Release2000(后拆分为R4和R5)的工作计划中,并将TD-SCDMA简称为LCRTDD(低码片速率TDD方案)。
经过一年多的时间,经历了几十次工作组会议,几百篇文稿的提交和讨论,在2001年3月棕榈泉的RAN全会上,随着包含TD-SCDMA标准在内的3GPPR4版本规范的正式发布,TD-SCDMA在3GPP中的融合工作达到了第一个目标。
至此,TD-SCDMA不论在形式上还是在实质上,都已在国际上被广大运营商、设备制造商所认可和接受,形成了真正的国际标准。
1.1.2TD-SCDMA标准的现状
自2001年3月3GPPR4发布后,TD-SCDMA标准规范的实质性工作主要在3GPP体系下完成。
在R4标准发布之后的两年多时间里,大唐与其他众多的业界运营商、设备制造商一起,又经过无数次会议讨论、邮件组讨论,通过提交的大量文稿,对TD-SCDMA标准规范的物理层处理、高层协议栈消息、网络和接口信令消息、射频指标和参数、一致性测试等部分的内容进行了一次次的修订和完善,使得到目前为止的TD-SCDMAR4规范达到了相当稳定和成熟的程度。
在3GPP的体系框架下,经过融合完善后,由于双工方式的差别,TD-SCDMA的所有技术特点和优势得以在空中接口的物理层体现。
物理层技术的差别是TD-SCDMA与WCDMA最主要的差别所在。
在核心网方面,TD-SCDMA与WCDMA采用完全相同的标准规范,包括核心网与无线接入网之间采用相同的Iu接口;在空中接口高层协议栈上,TD-SCDMA与WCDMA二者也完全相同。
这些共同之处保证了两个系统之间的无缝漫游、切换、业务支持的一致性、QoS的保证等,也保证了TD-SCDMA和WCDMA在标准技术的后续发展上保持相当的一致性。
1.1.3TD-SCDMA标准的后续发展
在3G技术和系统蓬勃发展之际,不论是各个设备制造商、运营商,还是各个研究机构、政府、ITU,都已经开始对3G技术以后的发展方向展开研究。
在ITU认定的几个技术发展方向中,包含了智能天线技术和TDD时分双工技术,认为这两种技术都是以后技术发展的趋势,而智能天线和TDD时分双工这两项技术,在目前的TD-SCDMA标准体系中已经得到了很好的体现和应用,从这一点中,也能够看到TD-SCDMA标准的技术有相当的发展前途。
另外,在R4之后的3GPP版本发布中,TD-SCDMA标准也不同程度地引入了新的技术特性,用以进一步提高系统的性能,其中主要包括:
通过空中接口实现基站之间的同步,作为基站同步的另一个备用方案,尤其适用于紧急情况下对于通信网可靠性的保证;终端定位功能,可以通过智能天线,利用信号到达角对终端用户位置定位,以便更好地提供基于位置的服务;高速下行分组接入,采用混合自动重传、自适应调制编码,实现高速率下行分组业务支持;多天线输入输出技术(MIMO),采用基站和终端多天线技术和信号处理,提高无线系统性能;上行增强技术,采用自适应调制和编码、混合ARQ技术、对专用/共享资源的快速分配以及相应的物理层和高层信令支持的机制,增强上行信道和业务能力。
在政府和运营商的全力支持下,TD-SCDMA产业联盟和产业链已基本建立起来,产品的开发也得到进一步的推动,越来越多的设备制造商纷纷投入到TD-SCDMA产品的开发阵营中来。
随着设备开发、现场试验的大规模开展,TD-SCDMA标准也必将得到进一步的验证和加强。
为了加快TD-SCDMA的产业化进程,早日形成完整的产业链和多厂家供货环境,2002年10月30日,TD-SCDMA产业联盟在北京成立。
TD-SCDMA产业联盟的成员企业由最初的7家,发展到目前的30家企业,覆盖了TD-SCDMA产业链从系统、芯片、终端到测试仪表的各个环节。
1.1.4中国TD-SCDMA与美、欧3G技术的优缺点
优点:
1.频谱利用率高,TD-SCDMA一个载频1.6M,WCDMA一个载频10M;
2.对功控要求低,TD-SCDMA为0~200MZWCDMMA为1500MZ;
3.采用了智能天线和联合测试,引入了所谓的空中分级,但效果如何,还待验证;
4.避免了呼吸效应,TD-SCDMA不同业务对覆盖区域的大小的要求较低,易于网络规划;
缺点:
1.同步要求高,TD-SCDMA需要GPS同步,同步的准确程度影响整个系统是否正常工作;
2.码资源受限,TD-SCDMA只有16个码,远远少于业务需求所需要的码数量;
3.干扰问题,上下行、本小区、邻小区都可能存在干扰;
4.移动速度慢,TD-SCDMA:
120KM/H,WCDMA:
500KM/H。
1.2TD-SCDMA信道编码介绍
1.2.1信道编码介绍
在数字通信中,根据不同的目的,编码可分为信源编码和信道编码。
信源编码是为了提高数字信号的有效性以及为了使模拟信号数字化而采取的编码。
信道编码是为了降低误码率,提高数字通信的可靠性而采取的编码。
信道编码现在已经得到广泛的应用。
信道编码的实质是在信息码中增加一定数量的多余码元(称为监督码元),使它们满足一定的约束关系,这样,由信息码元和监督码元共同组成一个由信道传输的码字。
一旦传输过程中发生错误,则信息码元和监督码元间的约束关系被破坏。
在接收端按照既定的规则校验这种约束关系,从而达到发现和纠正错误的目的。
信道编码有多种分类方式,主要按照关系、范围及用途分为三种:
(1)根据纠错码各码组信息元和监督元的函数关系,可分为线性码和非线性码。
如果函数关系是线性的,即满足一组线性方程式,则称为线性码,否则为非线性码。
(2)根据上述关系涉及的范围,可分为分组码和卷积码。
分组码的各码元仅与本组的信息元有关;卷积码中的码元不仅与本组的信息元有关,而且还与前面若干组的信息元有关。
(3)根据码的用途,可分为检错码和纠错码。
检错码以检错为目的,不一定能纠错;而纠错码以纠错为目的,一定能检错。
信息通过信道传输,由于物理介质的干扰和无法避免的噪声,信道的输入和输出之间仅具有统计意义上的关系,在做出唯一判决的情况下将无法避免差错,其差错概率完全取决于信道特性。
因此,一个完整、实用的通信系统通常包括信道编译码模块。
视频信号在传输前都会经过高度压缩以降低码率,传输错误会对最后的图像恢复产生极大的影响,因此信道编码尤为重要。
信道编码的作用一是使码流的频谱特性适应通道的频谱特性,从而使传输过程中能量损失最小,提高信号能量与噪声能量的比例,减小发生差错的可能性;二是增加纠错能力,使得即便出现差错也能得到纠正。
信道编码技术可改善数字信息在传输过程中噪声和干扰造成的误差,提高系统可靠性,因而提供高效的信道编译码技术成为3G移动通信系统中的关键技术之一。
3G移动通信系统所提供的业务种类的多样性、灵活性,对差错控制编译码提出了更高的要求。
在TD-SCDMA中,信道编码有3种选择:
①对于传输质量等级小于10-3要求时,使用卷积深度从1到1/3的带有前向纠错的卷积编码。
②传输质量等级大于10-3要求时,传输速率大于32Kbps时,使用超级编码(Turbocode)。
③还可以选择没有编码。
而卷积编码是3G移动通信技术TD-SCDMA系统中主要信道编码方式之一。
1.2.2卷积编码介绍
卷积码的编码器是由一个有k个输入位(端)、n个输出位(端),且具有m级移位寄存器所构成的有限状态的有记忆系统,通常称它为时序网络。
非分组码的卷积码的编码器是在任一段规定时间内产生n个码元,但它不仅取决于这段时间中的k个信息位,还取决于前(K-1)段规定时间内的信息位,这K段时间内的码元数目为K·k,称参数K为卷积码的约束长度,每k个比特输入,得到n比特输出,编码效率为k/n,约束长度为K。
在k=1的条件下,移位寄存器级数m=K-1。
卷积码一般可用(n,k,K)来表示,其中k为输入码元数,n为输出码元数,而K则为编码器的约束长度。
典型的卷积码一般选n和k(k 卷积码是1955年Elias最早提出,1957年Wozencraft提出了序列译码。 1963年Massey提出了一种性能稍差,但比较实用的门限译码方法。 1967年维特比(Viterbi)提出了最大似然译码。 它对存储器级数较小的卷积码的译码很容易实现,称为维特比算法或维特比译码。 第2章TD-SCDMA卷积编码的实现 2.1卷积编码的解析表示法 一个二元(2,1,4)卷积码的编码器,它是由k=1,即一个输入位(端),n=2,即两个输出位(端),K=4,m=3即三级移位寄存器所组成的有限状态的有记忆系统。 (1)离散卷积 若输入信息序列为(这里的卷积码是u0首先输入) (2.1) 则对应输出为两个码字序列 (2.2) 其相应编码方程可写为 (2.3) 其中“*”表示卷积运算,g①g②表示编码器的两个脉冲冲击响应,即编码可由输入信息序列u和编码器的两个冲击响应的卷积得到,故称为卷积码。 这里的脉冲冲击响应是指,当输入信息为u=(100…)时,所观察到的两个输出序列值。 由于编码器有m=3级寄存器,故冲激响应至多可持续到K=m+1=3+1=4位,且可写成: (2.4) 在一般情况下有: (2.5) 经编码器后,两个输出序列合并为一个输出码字序列为: (2.6) 若输入信息序列为: (2.7) 则有: (2.8) (2.9) 最后输出的码字为: (2.10) (2)生成矩阵
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