维普资讯 http://www.cqvip.com 第２１卷第４期 黑龙江工程学院学报（自然科学版） Ｖｏ１．２１ Ｎ０．４ ２００７年１２月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｃ．，２００７ ＷＣＤＭＡ系统中的Ｔｕｒｂｏ码技术分析 周正林 ，柳春锋 （１．黑龙江工程学院电子工程系，黑龙江哈尔滨１５００５０；２．漳州职业技术学院，福建漳州３６３０００） 摘要：分析Ｔｕｒｂｏ码的主要技术，介绍Ｔｕｒｂｏ码的编码器结构、交织器技术、译码器和译码算法等情况。仿真分析 及当前的应用表明Ｔｕｒｂｏ码具有广阔的应用前景。 关键词：ｗａ）ＭＡ； ｂｏ码；算法；交织器 中图分类号：ＴＮ９１４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—４６７９｛２００７）０４—００５４—０２ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｔｕｒｂｏ Ｃｏｄｅ ｉｎ ＷＣＤＭＡ ｓｙｓｔｅｍ ＺＨＯＵ Ｚｈｅｎｇ—ｌｉｎ ，ＬＩＵ Ｃｈｕｎ—ｆｅｎｇ２ （１．Ｄｅｐｔ．ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５００５０，Ｃｈｉｎａ；２、Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ ＩｓｎｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌ— ｏｇｙ，Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ ３６３０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｔｕｒｂｏ ｃｏｄｅ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ．Ｉｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ Ｔｕｒｂｏ ｃｏｄｅ ｅｎｃｏｄｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｎｔｅｒｗｅａｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｄｅｃｏｄｅｒ ａｎｄ ｄｅｃｏｄｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈｅ Ｔｕｒｂｏ ｃｏｄｅ ｈａｓ ｂｒｏａｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＷＣＤＭＡ ｃｈａｎｎｅｌ ｃｄｏｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＷＣＤＭＡ；Ｔｕｒｏｂ ｃｏｄｅ；ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｉｎｔｅｒｔｅｘｔｕｒｅ ＷＣＤＭＡ是第３代移动通信系统的主要标准 之一，其基本特点是：支持多媒体业务；多环境的适 １ ＷＣＤＭＡ的信道编码方案 用性；将寻呼、无绳、蜂窝、卫星移动等通信系统综合 ＷＣＤＭＡ的信道编码方案由差错检测、差错纠 起来；提供无缝漫游；体现智能化。在优化网络结构 正、速率匹配、交织及传输信道到物理信道的映射和 方面，引入智能网概念。其总体目标是提供覆盖全 物理信道到传输信道的分段组成。针对不同的业 球的多种高层次综合业务、多种系统制式和多种运 务，ＷＣＤＭＡ采用不同的编码方案，有３种前向信 营环境的大容量、高速率、高质量、高灵活性、功能强 道纠错码，它们分别是卷积码、Ｔｕｒｂｏ码和不编码。 大的移动通信系统。而在移动无线信道中，能量损 在广播信道（ＢｃＨ）、寻呼信道（ＰｃＨ）、随机接入信道 耗、多径效应、阴影效应等因素的影响，易造成信号 （ＲＡＣＨ），采用卷积码，编码速率为１／３、１／２；而在公 衰落和码间干扰，对通信质量有极大影响。因此，采 共物理信道（ＣＰＣＨ、ＤＣＨ、ＤＳＣＨ、ＦＡＣＨ）中，采用 用合适的信道编码是至关重要的。 Ｔｕｒｏｂ编码方案，其编码速率为１／３。 由法国不列颠通信大学的科学家Ｃ．Ｂｅｒｒｏｕ、Ａ． 很显然，在低速率和低性能情况下，仍然采用第 Ｇｌａｖｉｅｕｘ和Ｐ．Ｔｈｉｔｉｒｎａｊｓｈｉｗａ提出的Ｔｕｒｏｂ码，具有 二代移动通信系统中类似的卷积码编译码技术，而 很强的抗衰落、抗干扰能力，能有效地改善数字信号 在高速率和高性能要求的情况下，ＷＣＤＭＡ采用 在传输过程中由于各种噪声和干扰造成的误码，提 Ｔｕｒｂｏ码编码方案，其模型如图１所示。 高通信系统的可靠性，因此，成为信道编码领域研究 的热点，同时也被ＷＣＤＭＡ确定为信道编码标准之 收稿日期：２００６—１２—２６ 项目来源：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（１１５１１３３１） 作者简介：周正林（１９６３－－），男，副教授，工学硕士，研究方向：信号 处理技术． 图１采用Ｔｕｒｂｏ码的ＷＣＤＭＡ模型 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 周正林，等：ＷＣＤＭＡ系统中的Ｔｕｒｂｏ码技术分析 ・５５・ ２ Ｔｕｒｂｏ码的主要技术 ２．１ ＷＣＤＭＡ中的Ｔｕｒｂｏ码编码器结构 Ｔｕｒｏｂ码编码器是对传统级联码算法和结构的 修正，ＷＣＤＭＡ中的Ｔｕｒｂｏ码编码器结构如图２所 示，它是一个并行级连卷积码（ＰＣＣＣ），由８状态成 员编码器和一个交织器构成，其编码速率为１／３，成 员编码器的传递函数为 Ｇ（Ｄ）＝［１， ］， 式中：ｄ（Ｄ）＝ｌ＋Ｄ。＋Ｄ。， （Ｄ）＝ｌ＋Ｄ＋Ｄ。。 第一个编码器构成 ，／ ，Ｔ、 ＾ 一 俞 ．一 １． 一一 ｌ 、ｆ，～ ～Ｉ 输入 Ｔｕｒｂｏ代码 内部交织器 第二个编码器构成 输出 ， ｒ 呼 图２ Ｔｕｒｂｏ码编码器结构 编码器输出序列为ｚ１，ｚ１，ｚ １，ｚ２，ｚ２，ｚ ２，…， ｚＫ，ｚＫ，ｚ Ｋ，其中，ｚ１，ｚ２，…，ｚＫ是输人到第一个８ 状态成员编码器和Ｔｕｒｂｏ码内交织器的比特，Ｋ是 比特数，而ｚ１，ｚ２，…，ｚＫ和ｚ １，ｚ ２，…，ｚ Ｋ分别是 从第一个和第二个８状态成员编码器的输出比特。 ２．２交织器技术 在Ｔｕｒｂｏ码的编解码中，无论是编码还是解码， 交织单元都是非常重要的一个环节。交织器的作用 主要用来处理突发性错误。另外还有一个更重要的 作用是改变码重分布，将原始信息序列置乱，使得交 织前后的信息序列相关性减小，交织度越大，相邻反 馈信号的相关性就越小，从而可实现很好的迭代译 码，最终使码元随机化、均匀化。 由于交织器的作用，使Ｔｕｒｂｏ码重量相近的码 字数目比卷积码要少得多，从而使得在一定条件下 Ｔｕｒｂｏ码的译码差错率比卷积码的差错率低。 交织方式主要有规则交织、不规则交织、随机交 织３种。在实际应用中一般采用不规则交织，这是 一种伪随机交织方式，对每一编码块采用固定的交 织方式，但块与块之间交织器结构不一样。往往为 了获得高的编码增益，需要控制交织器的长瞍 在ＷＣＤＭＡ中，Ｔｕｒｂｏ码内交织器由比特输人 矩阵、矩阵的行内置换和行间置换、矩阵修正后的比 特输出组成。其交织器是可截短型块交织器，交织 行数为５、ｌ０或２０，在行数确定的基础上选择列数， 数据按行读人交织器，按固定模式进行行间转换，不 同输人序列长度对应不同的行数和行间转换模式， 行转换完成后，进行列转换。交织器的输人标记为 ｚ ，ｚ ，ｚ ，…，ｚ ，其中，Ｋ是比特数，范围是４０≤ Ｋ≤５ １１４。信道编码的输人比特和Ｔｕｒｂｏ码内部 交织器的输人比特之间的关系为ｚ ＝Ｏ ，Ｋ＝Ｋ 。 ２．３译码器与译码算法 Ｔｕｒｂｏ码译码器由两个软输人软输出（ＳＩＳ０）译 码器ＤＥＣＩ和ＤＥＣ２，通过交织器ＩＮＴ与解交织器 ＤＥＩＮＴ级连组成。其译码过程是接收的信息序列 经过解复用后将其中的信息序列、校验序列及先验 信息序列（前一次迭代中译码器ＤＥＣ２给出的外信 息的解交织形式）送人译码器ＤＥＣｌ，经过ＤＥＣｌ译 码后产生的外部信息经过交织器后作为译码器 ＤＥＣ２的先验信息送人ＤＥＣ２，同时ＤＥＣ２的输人还 有信息序列、经过交织后的信息以及校验序列， ＤＥＣ２产生的外部信息又送人解交织器。由两个子 译码器分别计算最大后验概率（ＭＡＰ），然后通过两 个译码器之间传递外部信息而进行多次迭代译码， 使其收敛于Ｐ（ｄｋ），从而达到近Ｓｈａｎｎｏｎ限的性能。 Ｔｕｒｂｏ译码算法包括软输出维特比算法ＳＯ— ＶＡ、最大后验概率算法ＭＡＰ和最大对数后验概率 算法Ｍａｘ—Ｌｏｇ—ＭＡＰ等。其中ＭＡＰ是比特差错概 率算法，虽然在低信噪比环境下ＭＡＰ译码算法可 获得更大的编码增益，但ＭＡＰ算法比较复杂，将 ＭＡＰ算法中的复杂运算置于对数域中进行计算并 使用最大近似公式，可得到最大对数后验概率译码 算法Ｍａｘ—Ｌｏｇ—ＭＡＰ，但Ｍａｘ—Ｌｏｇ—ＭＡＰ算法存在系 统ＢＥＲ性能下降的问题，ＳＯＶＡ算法就是软输出 Ｖｉｔｅｒｂｉ算法（Ｓｏｆｔ—Ｏｕｔｐｕｔ Ｖｉｔｅｒｂｉ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ），是 Ｖｉｔｅｒｂｉ算法一种改进型。ＳＯＶＡ算法在删除低似 然路径时保留必要的信息，以给每个输出比特提供 一个可信度，其基本思想是利用最优路径和被删路 径的度量差，差值越小意味这次选取的可靠性越低。 ３ Ｔｕｒｂｏ码应用前景 Ｔｕｒｂｏ码能够针对不同的环境、不同的译码要 求，与检测、调制等技术相结合，从而提高通信的 可靠性。如针对衰落形式中ＤＰＳＫ（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｈａｓｅ—ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ）信号的特点，提出基于判决反馈 （下转第７３页） 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 刘雪娇， ：例说积分不等式证明 ・７３・ 即ｊ。 （ｚ） 一吉ｊ。－厂（ｚ） ≥０，不等式得证。 评析：构造辅助函数Ｆ（ｚ）在闭区间连续，开区 函数，这两个函数均满足闭区间连续，开区间可导， 符合柯西中值定理条件，证明其比值大于等于即可。 参考文献 ［１］Ｆｅｎｇ Ｏｉ，Ｌｉｈｏｎｇ Ｃｕｉ，Ｓｅｎｌｉｎ Ｘｕ．Ｓｏｍｅ Ｉｎｅｑｕａｌｉｔｉｅｓ Ｃｏｎ— ｓｔｒｕｃｔｅｄ ｂｙ Ｔｃｈｅｂｙｓｈｅｆｆ’Ｓ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｉｎｅｑｕａｌｉｔｙ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ 间可导，显然满足拉格朗日中值定理的条件，利用之 就可证明证题。 证法８（利用柯西中值定理）： 构造辅助函数Ｆ（ｚ）＝Ｉ ｔｆ（ｔ）ｄｔ，Ｇ（ｚ）＝ ［Ｊ］．Ｉｎｅｑｕａｌｉｔｉｓ＆Ａｐｐｌｅｉａｔｃｉｏｎｓ，１９９９（２）：５１７—５２８． ［２］同济大学应用数学系．微积分［Ｍ］．北京：高等教育出版 社，２００６：１９３—１９６． 鲁ｌ ｆ（ｔ）ｄｔ。 显然它们在［０，１］上连续，（０，１）内可导，利用柯 ［３］陈传璋，金福临，朱学炎，等．数学分析［Ｍ］．北京：高等教 育出版社，２００１． 西中值定理，由题意］ ∈（０，１）］ ∈（０， ）使 ｄ ０ ［４］刘夫孔，赵更吉．不等证题术的基本原理［Ｍ］．成都：电子 科技大学出版社，１９９３：８５—９０． Ｉ （ｚ）ｄｘＦ（１）一Ｆ（０）』’＼１／一』’＼ｕ／ ［５］王金金，马华．利用重积分证明定积分不等式［Ｊ］．高等 数学研究，２００４（２）：１５． ’ｒ －厂（ｚ）ｄｚ—Ｇ 一Ｇ ０ Ｇ （ ）一 －厂（ ）＋ｆ －厂（ｆ）ｄｆ一 ｆ １［６］同济大学应用数学系．高等数学［Ｍ］．北京：高等教育出 版社，２００２． ［７］龚德思．经济数学基础［Ｍ］．成都：四川人民出版社， ２００５． （ １）＋ １（ ２）。／上’”。 。ｆ ≥１＇目ｐ ［８］吴从ｔ上斤．关于微分中值定理的一点思考［Ｊ］．高等数学研 究，２００４（５）：１２—１３． ｆ１ （ｚ） ≥ ｚ） 。 ［责任编辑：郝丽英］ 评析．存不等式芹右两端分别构拮蛮卜限积分 （上接第５５页） 的Ｔｕｒｂｏ ＤＰＳＫ解调／解码算法，它是利用判决反馈 进行衰落信道的估计从而计算信息比特的似然比； 将栅格调制编码和Ｔｕｒｂｏ码结合可以得到大的编码 增益和高的带宽效率；利用Ｔｕｒｂｏ码译码输出信息 反馈给多用户接收机的接收端作先验信息，从而可 以增强多用户检测的性能。 案，虽然理论上并不十分完善，但是仿真分析及当前 的应用表明Ｔｕｒｂｏ码具有广阔的应用前景，尤其是 在低信噪比情况下，它能够准确地将信号还原。随 着第三代移动通信技术的日趋成熟、微电子技术的 发展及交织器和译码算法的改进，Ｔｕｒｂｏ码的实时 性问题将会得到解决。 参考文献 ［１］柳春锋，曹家年，周正林．Ｔｕｒｂｏ码译码算法的比较性分 析［Ｊ］．信息技术，２００６（９）． ［２］刘鑫．Ｔｕｒｂｏ码技术及其在３ Ｇ中的应用［Ｊ］．现代电子技 术，２００４（４）． 不断改进译码算法，易于硬件实现，促进Ｔｕｒｂｏ 码的应用。Ｔｕｒｂｏ码的译码算法复杂度比较高，即 使是复杂度较低的ＳＯＶＡ译码算法，其复杂度也是 标准Ｖｉｔｅｒｂ译码的两倍，其次是Ｔｕｒｂｏ码的时延较 长，如采用迭代译码的算法，在信道条件比较恶劣的 情况下，需要进行多次迭代、多次交织和解交织。目 ［３］王新梅，肖国镇．纠错码原理与方法［Ｍ］．西安：西安电 子科技大学出版社，２００１． ［４］万蕾．Ｔｕｒｏ码及其在第三代移动通信系统中的应用 ｂ［Ｄ］．北京：北京理工大学，２００１． ［５］蔡梦凡，姚冬苹，谈振辉．Ｔｕｒｂｏ码ＳＯＶＡ算法的研究与 仿真［Ｊ］．系统仿真学报，２００４（１２）． ［６］姚远，邱天爽．ＭＡＰ算法在Ｔｕｒｂｏ码译码中的应用和研 究进展［Ｊ］．电视技术，２００４（４）． ［７］陈朝，周峰，刘艳明．一种Ｔｕｒｂｏ码的编码算法仿真实现 前译码算法得到了深入的研究，如ＭＡＰ算法的一 种改进算法——线性拟合法，它把非线性的校正函 数转化为分段的线性函数，从而克服了Ｌｏｇ—ＭＡＰ 和Ｍａｘ—Ｌｏｇ—ＭＡＰ算法的不足，在不损失编码增益 情况下，不仅使译码算法得到了简化，而且更有利于 硬件的实现。 ４ 结束语 Ｔｕｒｂｏ码是一种具有超强纠错能力的编码方 ［Ｊ］．电子科技，２００５（６）． ［责任编辑：郝丽英］
