肖創(chuàng)創(chuàng),李際平,黃 堯

(解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院衛(wèi)星教研室,江蘇南京210007)

Turbo碼結(jié)合已知比特的不等保護(hù)方案設(shè)計(jì)

肖創(chuàng)創(chuàng),李際平,黃 堯

(解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院衛(wèi)星教研室,江蘇南京210007)

交織器的引入使Turbo碼對不同信息位具有明顯的不等保護(hù)特性,從而對其性能產(chǎn)生影響。為了提高Turbo碼譯碼性能,在給定的S距離偽隨機(jī)交織器下,首先通過對多組隨機(jī)輸入信息序列的位誤比特率仿真分析,找到對Turbo碼性能影響較大的關(guān)鍵比特位置,然后在對Turbo碼不等保護(hù)特性和已知比特Turbo碼進(jìn)行理論分析和研究的基礎(chǔ)上,提出了關(guān)鍵比特不等保護(hù)和結(jié)合已知比特的Turbo碼不等保護(hù)兩種方案。最后,對提出的方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,結(jié)果表明在交織長度分別為200和400兩種條件下,兩種保護(hù)方案在高信噪比時與未保護(hù)相比均有0.2 dB以上增益,且結(jié)合已知比特的Turbo碼不等保護(hù)方案比關(guān)鍵比特保護(hù)方案性能更優(yōu)。

Turbo碼 不等保護(hù) 已知比特 關(guān)鍵比特

0 引 言

法國不列顛通信大學(xué)的Clauder Berrou教授等人在1993年的國際通信會議(ICC'93)上首次提出Turbo碼方案,其接近Shannon理論極限的迭代譯碼性能引起眾多通信領(lǐng)域?qū)＜液蛯W(xué)者的深入研究,研究結(jié)果表明Turbo碼是一種具有接近最優(yōu)糾錯性能的差錯控制編碼方式,許多有益的結(jié)論已經(jīng)被應(yīng)用于通信領(lǐng)域,為有線和無線通信的高速傳輸提供了編碼理論基礎(chǔ)。短碼Turbo碼,由于其譯碼延時性小、性能良好地特點(diǎn),無論是在CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)的信道編碼還是LTE系統(tǒng)之中都有非常廣闊的應(yīng)用。語音傳輸中,信道編碼器每幀數(shù)據(jù)量通常不超過200比特,如JD-CDMA無線移動系統(tǒng)每幀的數(shù)據(jù)為192比特,LTE系統(tǒng)也有針對碼長小于200而設(shè)計(jì)的情況。Turbo碼主要由分量編碼器、交織器、刪余矩陣、復(fù)接器、分量譯碼器、解交織器等部分組成,各個部分的改善都能夠在一定條件下提高整體譯碼性能。文獻(xiàn)[1-3]等對Turbo碼距離特性、交織器、迭代譯碼和譯碼算法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行理論分析和仿真驗(yàn)證,并在一定程度上改善了Turbo碼的性能。文獻(xiàn)[4]表明,其他條件相同時,交織長度越大,迭代次數(shù)越多,譯碼算法越優(yōu)異,Turbo碼性能越好,但硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度就越大,所以設(shè)計(jì)時要綜合考慮各個因素。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中,對重要或者容易出錯的部分往往需要進(jìn)行特殊保護(hù)以確保數(shù)據(jù)的正確性,這便是一般意義上的不等保護(hù)。由于交織器的引入, Turbo碼具有時變特性,容易產(chǎn)生稀疏的低碼重碼子,使得Turbo碼本身對輸入信息序列也具有明顯的不等保護(hù)特性。文獻(xiàn)[5]引入Turbo碼不等保護(hù)概念,通過仿真分析找出Turbo碼信息序列中對干擾敏感度高的比特——關(guān)鍵比特,并對其進(jìn)行保護(hù),使碼的抗干擾性得以提高,該方法通過對最小重量碼字進(jìn)行搜索得到關(guān)鍵比特位置,仿真實(shí)現(xiàn)相對比較復(fù)雜。文獻(xiàn)[6]提出已知比特(KB,Known Bits) Turbo碼,通過添加已知比特的方法增加譯碼性能和解決速率適配問題,其實(shí)質(zhì)就是將KB的能量平均分配到其他信息比特之中來提高系統(tǒng)的整體性能,但這種方法由于有較多的已知比特參與傳輸,降低了碼率,而且由于已知比特在加入時并沒有考慮Turbo碼不等保護(hù)特性,因此具有盲目性。

文中利用Turbo碼不等保護(hù)特性,對短碼Turbo碼進(jìn)行了研究。在給定的S距離偽隨機(jī)交織器下,通過對多組隨機(jī)輸入信號序列的位誤比特率仿真分析,找出誤碼率相對較大信息比特位置,亦即關(guān)鍵比特。針對這些關(guān)鍵比特文章給出了兩種保護(hù)方案,一種是關(guān)鍵比特不等保護(hù)方案(A方案),另一種是結(jié)合已知比特的不等保護(hù)方案(B方案),后一種方案其實(shí)是對第一種方案的改進(jìn)處理。這兩種方案都是在碼率基本保持不變的基礎(chǔ)上達(dá)到對誤碼率性能的改善。文中最后通過使用R2010b版本的MATLAB軟件對兩種保護(hù)方案進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn),給出了交織長度為200和400兩種條件下的仿真結(jié)果,并與不進(jìn)行保護(hù)直接編譯碼的方案進(jìn)行了性能比較,得出了有益的結(jié)論。

1 PCCC型Turbo碼迭代譯碼結(jié)構(gòu)

迭代譯碼方法的采用使得Turbo碼編譯碼具有優(yōu)異的譯碼性能。分量譯碼器1與分量譯碼器2之間的軟信息進(jìn)行交換并進(jìn)行多次迭代反饋,提高了譯碼性能。Turbo碼結(jié)合MAP、Log-MAP和Max-Log-MAP等軟判決譯碼算法,可以使譯碼效果達(dá)到最佳狀態(tài)。圖1為反饋型Turbo碼譯碼結(jié)構(gòu)圖,它主要由交織器、解交織器、分量譯碼器1、分量譯碼器2、以及硬判決等組成。

具體地說,迭代譯碼就是一個分量譯碼器的先驗(yàn)信息是由另一個分量譯碼器的譯碼輸出結(jié)果來提供的,這樣的信息互換的方式經(jīng)過多次迭代之后,每個分量譯碼器輸出的軟判決信息都能夠獲得比較好的譯碼性能。這種迭代的方法使結(jié)合已知比特的Turbo碼保護(hù)方案能夠取得較好的性能改善,這是因?yàn)橐阎忍乇旧硪阎?這些KB信息的能量再經(jīng)迭代以后就能充分分散到附近信息比特,輔助這些信息比特正確譯出。

圖1 反饋型Turbo碼譯碼結(jié)構(gòu)Fig.1 Feedback decoder for Turbo code

2 Turbo碼不等保護(hù)特性

通過對Turbo碼各個輸入信息位的誤比特率進(jìn)行仿真比較,可以明顯的觀察到每個比特信息位的誤碼率情況。短碼Turbo碼由于碼長較小,其碼子的自由距離較小,性能相比于長碼也就比較差,其不等保護(hù)特性表現(xiàn)的更為明顯,因此對短碼Turbo碼的不等保護(hù)特性研究就很有必要。下面通過仿真分析高誤比特率信息位對碼字性能影響。

2.1 Turbo碼仿真條件和結(jié)果

Turbo分量碼采用遞歸系統(tǒng)卷積碼,即RSC碼,其生成矩陣為(15,17)。譯碼算法為標(biāo)準(zhǔn)BCJR算法,AWGN信道,迭代10次,碼率為1/3,BPSK調(diào)制,S距離偽隨機(jī)交織器,交織距離S=9,輸入信息序列長度為200,表示為X=(x1,x2,…,x200),幀數(shù)500 000。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同信噪比條件下的位誤比特率分布Fig.2 BER performance for every bit under different SNRs

2.2 結(jié)果分析

通過觀察圖2中輸入信噪比為1.6 dB、2.0 dB、2.2 dB的這三條曲線的各自信息位置上的誤比特率以及比較這三條曲線,可以得到如下結(jié)論:

1)各個曲線上的每個信息位誤比特率均明顯不同,尤其是在高信噪比時表現(xiàn)更為明顯。

2)雖然三條曲線是在不同信噪比條件下得到的,整體誤比特率不同,但是它們有著明顯的相關(guān)性。

3)在Bmax={xi,i=1,7,20,78,113,120,166, 195}這些位置,三條曲線的誤比特率較高,稱之為關(guān)鍵比特,其對信道干擾具有最大的敏感度。在Bmin={xi,i=31,53,64,95,108,129,174,187}這些位置的誤比特率較小,其對信道干擾具有較小的敏感度。

文中對交織長度為400的碼字也進(jìn)行了仿真分析,得到類似以上結(jié)論,不再贅述。這里給出碼長400的碼子仿真得到的6個關(guān)鍵比特位置Bmax= {xi,i=18,42,56,63,77,391}和對干擾敏感度最小的6個信息比特位置Bmin={xi,i=155,165,212, 262,315,375}。

3 Turbo碼兩種不等保護(hù)方案設(shè)計(jì)

本節(jié)設(shè)計(jì)了關(guān)鍵比特不等保護(hù)和結(jié)合已知比特的不等保護(hù)兩種保護(hù)方案,給出了仿真結(jié)果,并與采用性能良好的S距離偽隨機(jī)交織器不進(jìn)行保護(hù)的方案作比較。

3.1 關(guān)鍵比特不等保護(hù)方案設(shè)計(jì)

利用第1節(jié)對Turbo碼不等保護(hù)分析的結(jié)果可以看出,不等保護(hù)特性在高信噪比時表現(xiàn)更為突出。結(jié)合文獻(xiàn)[7]可知,在高信噪比時對碼字的校驗(yàn)位分配更多能量對誤碼性能有一定提高,因此,不難假設(shè)在高信噪比時對校驗(yàn)位加強(qiáng)保護(hù)能夠有效提高譯碼性能。文中采用的是1/3碼率的Turbo,碼字C由信息序列X、第一個分量編碼器編碼輸出的校驗(yàn)序列Y1和信息序列經(jīng)交織后由第二個分量編碼器編碼輸出的校驗(yàn)序列Y2三部分復(fù)合而成。故文中對關(guān)鍵比特設(shè)計(jì)如下保護(hù)方案:

1)分別利用式(1)、式(2)計(jì)算信息位置Bmax對應(yīng)的碼字中的第一個編碼器輸出的校驗(yàn)位的位置B1和Bmin對應(yīng)的碼字中的信息位的位置B0。

2)然后將B1中的比特信息重傳并隨機(jī)分配到B0這些位置之中,即舍去部分對干擾不敏感的信息位來保護(hù)容易譯錯的關(guān)鍵比特的校驗(yàn)位。

3)接收方將B0中的比特信息提出,然后將B0置零,并將提出的比特信息與B1對應(yīng)位置比特信息相加并賦給B1,最后送入譯碼器譯碼。

3.2 結(jié)合已知比特的不等保護(hù)方案設(shè)計(jì)

利用KB替代高誤比特率信息位,不僅能夠保證這些位置傳輸正確,而且由于Turbo碼的迭代譯碼(見第1節(jié))的特性使得KB信息的能量還能分散到附近信息比特,輔助這些信息比特正確譯出,所以KB的使用具有一定意義。結(jié)合KB的Turbo碼不等保護(hù)方案具體設(shè)計(jì)如下:

1)將找到的八個高誤碼率輸入信息位置Bmax用收發(fā)雙方確定已知的KB——“0 1 0 1 0 1 0 1”替代,即Bmax=[0 1 0 1 0 1 0 1],這些位置不再作為信息位傳輸信息使用。

2)由1)知,KB=[0 1 0 1 0 1 0 1],將復(fù)合后的碼字送入Turbo交織器和編碼器進(jìn)行編碼,然后刪除碼字中系統(tǒng)碼字段中的KB,對于KB信息發(fā)送方僅發(fā)送產(chǎn)生的校驗(yàn)比特,相應(yīng)碼率由1/3變?yōu)?200-8)/(600-8)≌0.324 3。然后經(jīng)過BPSK調(diào)制進(jìn)行發(fā)送。

3)由于接收方事先已知KB的內(nèi)容,經(jīng)過信道后的接收碼字在相應(yīng)位置恢復(fù)出KB,文中在譯碼時增加KB的權(quán)值,權(quán)值取200,計(jì)算如式(3):

KB=200*[-1 1-1 1-1 1-1 1]

3.3 仿真參數(shù)和結(jié)果

文中輸入的信息序列(除了Bmax位置上的信息位)和通過的噪聲信道AWGN都完全相同,以確保仿真在相同輸入和相同信道條件下實(shí)現(xiàn)。具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

需要說明的是,交織長度為400的情況文中也是利用第2節(jié)的分析方法找到其6個關(guān)鍵比特位置Bmax={xi,i=18,42,56,63,77,391}和對干擾敏感度最小的6個信息比特位置Bmin={xi,i=155,165, 212,262,315,375}?,然后再進(jìn)行A、B兩種保護(hù)方案的設(shè)計(jì),其B方案碼率相應(yīng)的變?yōu)?.329 9。

從圖3所示的仿真結(jié)果可以看出,交織長度為200時,在中低信噪比時兩種保護(hù)方案雖然對誤碼性能沒有太大改善,但在高信噪比時(SNR＞2 dB),兩種保護(hù)對譯碼性能都有0.2 dB以上的增益,且B方案優(yōu)于A方案;圖4表示的是交織長度為400的仿真結(jié)果,對比采用方案A、方案B和未保護(hù)的三條曲線,不難看出,在交織長度較長時,高信噪比條件下方案B對譯碼性能也有0.2 dB以上的增益,此時方案A改善并不明顯。對比這兩幅圖,隨著碼子長度的增加,A、B這兩種保護(hù)方案對譯碼性能的改善都在減小,但B方案相對保持較大增益。

圖3 交織長度為200的誤碼率隨比特信噪比變化曲線Fig.3 Simulation result for interleaving length of 200

圖4 交織長度為400的誤碼率隨比特信噪比變化曲線Fig.4 Simulation result for interleaving length of 200

4 結(jié) 語

文章對Turbo碼的不等保護(hù)特性進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)出關(guān)鍵比特不等保護(hù)和結(jié)合已知比特的Turbo碼不等保護(hù)兩種方案。通過理論分析與仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明,結(jié)合已知比特的Turbo碼保護(hù)方案在信噪比較高時譯碼性能優(yōu)于未保護(hù)0.2～0.4 dB,與關(guān)鍵比特保護(hù)方案相比也有0.2 dB增益,提升了Turbo碼的譯碼性能。

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肖創(chuàng)創(chuàng)(1988—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樾诺谰幋a與調(diào)制;

XIAO Chuang-chuang(1988-),male, graduate student,majoring in channel coding and modulation.

李際平(1962—),男,教授,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信、信道編碼與調(diào)制;

LI Ji-ping(1962-),male,professor,mainly specialized in satellite communications,channel coding and modulation.

黃 堯(1991—),女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樾诺谰幋a與調(diào)制。

HUANG Yao(1991-),female,graduate student,majoring in channel coding and modulation.

Unequal Protection of Turbo Code based on Known Bits

XIAO Chuang-chuang,LI Ji-ping,HUANG Yao
(Department of Satellite Communication CCE,PLAUST,Nanjing Jiangsu 210007,China)

The introduction of interleaver makes the Turbo code have the obvious unequal protection of different information bits,thus limiting the performance of turbo code.In order to improve the performance of Turbo code,and under certain condition of given S-random interleaver,the key bits which may seriously impact the performance of Turbo code could be searched out through simulation and analysis on the bit error rate of input information sequences.Based on analysis and research of the unequal protection and KB(knownbits)turbo code,the two protection schemes,including the key-bit protection and the known-bit protection, are proposed.Finally,the simulation indicates that with the different interleaving lengths of 200 and 400,the proposed schemes both could have more than 0.2dB SNR gain under the condition of high SNR,while the known-bit protection scheme could acquire even better performance than the key-bit protection scheme.

turbo code;unequal protection;known bits;key bits

TN911.7

A

1002-0802(2014)01-0029-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.01.006