李玉峰,楊 君,關(guān)慶陽(yáng)
(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110136; 2.東南大學(xué) 移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210096)
DCR系統(tǒng)的信道編譯碼方法研究
李玉峰1,2,楊 君1,關(guān)慶陽(yáng)1
(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110136; 2.東南大學(xué) 移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210096)
數(shù)字對(duì)講機(jī)協(xié)議的制定是當(dāng)前研究的熱點(diǎn),而信道編譯碼技術(shù)又是數(shù)字對(duì)講機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。DCR系統(tǒng)吸收了dPMR系統(tǒng)的信道編譯碼方式的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)采用刪除卷積碼糾錯(cuò)技術(shù),提高了對(duì)傳輸差錯(cuò)的控制能力。對(duì)基于DCR協(xié)議的編譯碼方案和刪除卷積碼的編譯碼方法進(jìn)行了研究,對(duì)不同編譯碼方式的誤碼率進(jìn)行了深入分析。仿真結(jié)果表明:在多徑衰落信道下,刪除卷積碼可以有效的糾正突發(fā)錯(cuò)誤,大大降低誤碼率。
DCR;CRC;刪除卷積碼;交織
隨著信息化時(shí)代的發(fā)展,人們?nèi)找嫫惹械匾髮?duì)講機(jī)具有諸如話音加密、數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)調(diào)度等功能。而傳統(tǒng)的模擬對(duì)講機(jī)缺陷已經(jīng)逐步體現(xiàn)出來(lái),專用無(wú)線通信系統(tǒng)正逐步經(jīng)歷由模擬向數(shù)字的轉(zhuǎn)變。目前,對(duì)講機(jī)的數(shù)字化已受到全球的高度重視,關(guān)于數(shù)字對(duì)講機(jī)技術(shù)的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作正在向前推進(jìn)[1]。
目前我國(guó)相關(guān)部門也在大力推動(dòng)數(shù)字對(duì)講機(jī)的發(fā)展,數(shù)字對(duì)講機(jī)的開發(fā)離不開協(xié)議與關(guān)鍵器件。現(xiàn)在國(guó)際上常用數(shù)字對(duì)講機(jī)的通信標(biāo)準(zhǔn)有,TETRA、DMR、dPMR和DCR標(biāo)準(zhǔn)等[2-3]。TETRA(Trans European Terrestrial Trunked Radio)數(shù)字集群通信系統(tǒng)是基于數(shù)字時(shí)分多址(TDMA)技術(shù)的專業(yè)移動(dòng)通信系統(tǒng);DMR/dPMR 是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)ETSI組織發(fā)布的數(shù)字對(duì)講機(jī)無(wú)線通信協(xié)議。DMR(Digital Mobile Radio)數(shù)字移動(dòng)無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)是ETSI為專業(yè)移動(dòng)無(wú)線電(PMR)用戶專門制定的數(shù)字無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn);dPMR(digital private mobile radio)是一個(gè)數(shù)字無(wú)線電協(xié)議,(它提供通過(guò)使用低成本、低復(fù)雜性技術(shù)實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能的解決方案。DCR標(biāo)準(zhǔn)是ICOM、KENWOOD等日本廠家針對(duì)數(shù)字商業(yè)對(duì)講機(jī)市場(chǎng)制定的數(shù)字對(duì)講機(jī)標(biāo)準(zhǔn),是在dPMR(digital Private Mobile Radio)基礎(chǔ)之上制定的,其現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為ARIB STD-98[4]。
由于數(shù)字對(duì)講機(jī)工作在無(wú)線環(huán)境中,所以在傳輸過(guò)程中必然會(huì)受到各種干擾,信道編譯碼的選擇對(duì)于DCR系統(tǒng)的性能有著重要影響。本文首先對(duì)DCR系統(tǒng)及其邏輯信道的劃分作了介紹,重點(diǎn)對(duì)基于DCR協(xié)議的編譯碼方案和刪除卷積碼編解碼[5-8]方式進(jìn)行了研究。最后分別對(duì)不同編解碼方式的誤碼率進(jìn)行了分析,并給出了Matlab的仿真結(jié)果。
如圖1所示,為典型的DCR系統(tǒng)原理框圖,對(duì)于當(dāng)前研究的數(shù)字對(duì)講機(jī)通信協(xié)議來(lái)說(shuō),不論是DMR、dPMR以及本文所討論的DCR協(xié)議來(lái)講,其差別就在于圖1中虛線框的部分,接下來(lái)我們將重點(diǎn)討論DCR系統(tǒng)中的信道編碼技術(shù)。
DCR系統(tǒng),采用6.25 KHz的FDMA方式,4FSK調(diào)制方式,數(shù)據(jù)傳輸速率為4.8 Kb/s。
圖1 典型的DCR系統(tǒng)原理框圖
在DCR系統(tǒng)中,其邏輯信道劃分為:服務(wù)信道(SC:Service Channel)和同步脈沖信道(SB0:Synchronous Burst)。其中SC信道又分為:業(yè)務(wù)信道(TCH:Traffic Channel)、無(wú)線信息信道(RICH:Radio Information)、慢速隨路信道(SACCH:Slow Associated Control Channel)。SB0信道分為:參數(shù)信息信道(PICH:parameter Information Channel)、無(wú)線信息信道(RICH)、慢速隨路信道(SACCH)。
DCR系統(tǒng)中采用的信道編碼方案如圖2所示:
圖2 DCR協(xié)議中的信道編碼方案
由圖2可知,DCR系統(tǒng)中慢速隨路信道(SACCH)、業(yè)務(wù)信道(TCH)和參數(shù)信息信道(PICH)都采用了CRC、刪除卷積碼及交織技術(shù)。信道編碼方案不僅僅是簡(jiǎn)單的糾錯(cuò)碼的選擇和交織算法的問(wèn)題,它還涉及如何從高層獲得業(yè)務(wù)質(zhì)量指示、業(yè)務(wù)復(fù)用方式等高層協(xié)議信息,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同的業(yè)務(wù)采取不同的編碼方案,這樣才能確保以最高的效率提供更好的業(yè)務(wù)。主要的信號(hào)處理過(guò)程包括:CRC、刪除卷積碼和交織技術(shù)。
2.1 CRC
循環(huán)冗余校驗(yàn)碼是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯(cuò)校驗(yàn)碼,因其信息字段和校驗(yàn)字段的長(zhǎng)度可以任意選定,使用起來(lái)較為靈活。且其編解碼方式較為簡(jiǎn)單,在實(shí)際的通信系統(tǒng)中,一般用它來(lái)檢錯(cuò)。CRC編解碼框圖如圖3所示。在DCR系統(tǒng)中所使用的CRC為:
(1)CRC-6,生成多項(xiàng)式為:
g(x)=x6+x5+x2+x+1,用于慢速隨路信道(SACCH)數(shù)據(jù)的生成;
(2)CRC-12,生成多項(xiàng)式為:
g(x)=x12+x11+x3+x2+x+1,用于業(yè)務(wù)信道(TCH)和參數(shù)信息信道(PICH)。
2.2 刪除卷積碼
刪除卷積碼的構(gòu)成主要是卷積碼刪除位置的選擇,通常刪除是周期、有規(guī)律地進(jìn)行的。這樣產(chǎn)生的刪除卷積碼序列也就成了一個(gè)周期時(shí)變序列。刪除位置通常用刪余圖樣來(lái)表示,刪余圖樣中的“0”表示該數(shù)字對(duì)應(yīng)的比特被刪除,“1”則保留。刪余圖樣不是唯一的,但對(duì)于不同的情況存在最優(yōu)的刪余圖樣。
圖3 CRC的編解碼流程圖
DCR系統(tǒng)采用(2,1,5)卷積碼的刪除卷積碼進(jìn)行糾錯(cuò),(2,1,5)卷積碼的規(guī)定碼率為1/2,因?yàn)榇a率為1/2的卷積碼的編碼器碼率較低,會(huì)產(chǎn)生一倍于原數(shù)據(jù)的冗余數(shù)據(jù)。而通過(guò)刪余的方法可以從該卷積碼得到其它碼率的編碼,從而提高碼率。刪除卷積碼通過(guò)對(duì)輸出碼字中某些特定位置碼元予以刪除,在接收端譯碼時(shí)再用特定的碼元在這些位置上進(jìn)行填充,然后再進(jìn)行譯碼。DCR協(xié)議中對(duì)不同的業(yè)務(wù)信道規(guī)定了不同的刪余圖樣。
刪除卷積碼可以實(shí)現(xiàn)不同的碼率需求,而且在保證可靠性的前提下,可以提高傳輸?shù)男省S忠蚱渚幗獯a較為簡(jiǎn)單,糾錯(cuò)性能較好,因而得到廣泛的應(yīng)用。
2.3 交織
實(shí)際移動(dòng)通信環(huán)境是極其惡劣的,多徑效應(yīng)造成快衰落和地形、陰影效應(yīng)造成慢衰落產(chǎn)生了移動(dòng)信道特有的“長(zhǎng)突發(fā)”誤碼形式,使通信的可靠性大大降低,使誤碼率增大,嚴(yán)重影響了移動(dòng)信道的質(zhì)量和有效信道容量。為提高數(shù)字通信系統(tǒng)的性能,信道編碼和交織是通常采用的方法。對(duì)于衰落信道中的隨機(jī)錯(cuò)誤,可以采用信道編碼,而對(duì)于衰落信道中的突發(fā)錯(cuò)誤,則可以采用交織。交織是在發(fā)送端,對(duì)編碼器輸出的符號(hào)序列進(jìn)行有規(guī)律的重新排列之后,再進(jìn)入信道傳輸;在接收端解調(diào)器輸出的符號(hào)流必須進(jìn)行解交織,恢復(fù)原來(lái)的編碼輸出的符號(hào)流順序。通常交織有矩陣塊交織、卷積交織和似隨機(jī)交織等多種實(shí)施方式,在DCR系統(tǒng)中,采用較簡(jiǎn)單的矩陣塊交織。在DCR系統(tǒng)中,SACCH信道采用交織深度為5的矩陣塊交織,TCH/PICH采用交織深度為9的矩陣塊交織。以SACCH信道為例:
由圖2可知,經(jīng)刪除卷積碼編碼后的數(shù)據(jù)為60 bit,采用交織深度為5的矩陣塊交織,設(shè)其交織前的數(shù)據(jù)為,未經(jīng)交織的信息序列為:a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,a8,a9,a10,a11,a12,b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7,b8,b9,b10,b11,b12……e1,e2,e3,e4,e5,e6,e7,e8,e9,e10,e11,e12。
經(jīng)過(guò)交織后信息傳輸序列為:a1,b1,c1,d1,e1,a2,b2,c2,d2,e2,a3,b3,c3,d3,e3,a4,b4,c4,d4,e4,a5,b5,c5,d5,e5,…….a11,b11,c11,d11,e11,a12,b12,c12,d12,e12。
交織后出現(xiàn)連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤后數(shù)據(jù)變?yōu)椋篴1,b1,c1,d1,e1,*,*,*,*,*,a3,b3,c3,d3,e3,a4,b4,c4,d4,e4,a5,b5,c5,d5,e5,…….a11,b11,c11,d11,e11,a12,b12,c12,d12,e12(其中“*”表示錯(cuò)誤碼元)。
接收端解交織后數(shù)據(jù)為:a1,*,a3,a4,a5,a6,a7,a8,a9,a10,a11,a12,b1,*,b3,b4,b5,b6,b7,b8,b9,b10,b11,b12……e1,*,e3,e4,e5,e6,e7,e8,e9,e10,e11,e12。
這樣,DCR系統(tǒng)中,長(zhǎng)突發(fā)錯(cuò)誤被分散到各個(gè)碼組,在刪除卷積糾錯(cuò)碼的糾錯(cuò)能力范圍以內(nèi),就可以正確的恢復(fù)出信息,從而提高通信的可靠性。
3.1 刪除卷積碼的編碼
刪除卷積碼的編碼器如上圖4所示:協(xié)議中采用的是(2,1,5)卷積碼的刪除卷積碼。其中(2,1,5)卷積碼的生成多項(xiàng)式為:
G1(D)=1+D3+D4
G2(D)=1+D+D2+D4
圖4 刪除卷積碼編碼器
圖4中虛線框內(nèi)為(2,1,5)編碼器的框圖,主要包括Nk=5級(jí)移存器,兩個(gè)模2加法器,每個(gè)時(shí)隙中有k=1 bit從左端進(jìn)入移存器,并且移存器各級(jí)暫存的信息向右移k=1位。每時(shí)隙選擇一路輸出,兩路輸出交替進(jìn)行,輸出n=2 bit信息。設(shè)編碼器的初始狀態(tài)為0,隨著時(shí)刻i的遞推和1 bit信息組(m0,m1,m2,m3,m4,m5,…m33,m34,m35)不斷的輸入,碼字(C0,C1,C2,C3,C4,C5,…)不斷的輸出。刪除卷積碼的編碼方式為:先通過(guò)(2,1,5)卷積編碼器,然后根據(jù)刪余圖樣進(jìn)行刪余。根據(jù)編碼時(shí)所插入的校驗(yàn)位不同,對(duì)于不同的信道數(shù)據(jù),其刪余圖樣也不相同。
SACCH數(shù)據(jù)的刪余圖樣為:
以PICH信道數(shù)據(jù)為例,其刪余方式如圖5所示:
圖5 PICH信道數(shù)據(jù)的刪余圖樣
卷積編碼后數(shù)據(jù)按照?qǐng)D5所示的刪余圖樣進(jìn)行周期性的位刪除,方框內(nèi)對(duì)應(yīng)為0的位置,為要?jiǎng)h除的數(shù)據(jù)。雖然刪余卷積碼降低了糾錯(cuò)能力,但同時(shí)也減少了編碼冗余,從而可以降低傳輸時(shí)的比特凈負(fù)荷,提高比特傳輸率。
3.2 刪余卷積碼的解碼
采用Viterbi譯碼器對(duì)刪余卷積碼進(jìn)行譯碼的方法主要有兩種:(1)在刪余位置補(bǔ)零的方法;(2)按刪余后等效卷積碼的碼率來(lái)直接進(jìn)行譯碼。第二種方法當(dāng)編碼效率較高時(shí),計(jì)算量較大,譯碼比較復(fù)雜,尤其對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō),不同的碼率應(yīng)該有不同的配套譯碼設(shè)備,導(dǎo)致此類譯碼通用性差。目前,一般采用在刪除位置上補(bǔ)零的方法進(jìn)行譯碼,該算法的原理是:先將刪除位置用零進(jìn)行填充,然后按照刪余前的卷積碼的譯碼方法進(jìn)行譯碼。刪除卷積碼譯碼器如圖6所示:
圖6 刪除卷積碼譯碼器
卷積碼的解碼方法可以分為兩類:代數(shù)解碼和概率解碼。代數(shù)解碼是利用編碼本身的代數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解碼,不考慮信道的統(tǒng)計(jì)特性。大數(shù)邏輯解碼,又稱門限解碼,是卷積碼代數(shù)解碼的主要的一種方法。另一種概率解碼方法是維特比解碼算法,這種解碼方法比較簡(jiǎn)單,計(jì)算快,故得到廣泛應(yīng)用。卷積碼最小距離譯碼的思路是:以斷續(xù)的接收碼流為基礎(chǔ),逐個(gè)計(jì)算它與其他所有可能出現(xiàn)的、連續(xù)的網(wǎng)格圖路徑的距離,選出距離最小者作為譯碼估值輸出。在二進(jìn)制硬判決譯碼情況下,最小距離就是最小漢明距離。軟判決采用歐式距離進(jìn)行度量。
Viterbi譯碼算法的步驟如下:
1)畫出網(wǎng)格圖,計(jì)算第t=u時(shí)刻接收碼Rt相對(duì)于各碼字的相似度,稱為分支量度(branch metric BM)。在軟判決情況下,BM一般指歐式距離。在二進(jìn)制硬判決情況下,BM即漢明距離。
BMt(i,j)=W[c(i,j)?Rt]
(1)
其中,BMt(i,j)表示第t個(gè)時(shí)刻接收碼元Rt與到達(dá)第i個(gè)狀態(tài)的第j個(gè)轉(zhuǎn)移所對(duì)應(yīng)的碼字的距離。
2)計(jì)算第t個(gè)時(shí)刻到達(dá)狀態(tài)i的最大似然路徑的相似度,即路徑度量(path metric,PM)PMt(i),它是將上一時(shí)刻的路徑度量PMt-1與本時(shí)刻分支量度BM累加后選擇其中相似度最大的一個(gè),對(duì)于二進(jìn)制硬判決就是選漢明距離最小的一個(gè)
BMt(i,j)=W[c(i,j)?Rt]PMt(i)=min{PMt[P(i,j)]}+BMt
(2)
3)若j 由此可知,在網(wǎng)格圖上用Viterbi譯碼算法找到的路徑一定是一條最大似然路徑,因而這種譯碼方法是最佳的。 3.3 卷積碼的糾錯(cuò)性能仿真 如圖7所示,分別在無(wú)糾錯(cuò)編碼、刪除卷積碼的軟判決和硬判決Viterbi譯碼,刪除卷積碼(Viterbi譯碼軟/硬)+交織這五種情況下通過(guò)4FSK調(diào)制的AWGN信道的性能曲線。 (1)比較圖7的刪除卷積碼糾錯(cuò)曲線與無(wú)糾錯(cuò)編碼曲線,有刪除卷積碼糾錯(cuò)的信道誤碼率大大降低; (2)比較軟判決和硬判決Viterbi譯碼,可看到,在相同的Eb/N0的情況下,Viterbi譯碼軟判決的Pe明顯優(yōu)于硬判決。 圖7 AWGN信道下,刪除卷積碼的糾錯(cuò)性能 (3)比較軟判決曲線和軟判決+交織曲線可以看出,采用刪除卷積碼+交織的信道編譯碼方案可以糾正“長(zhǎng)”突發(fā)錯(cuò)誤,降低誤碼率。 實(shí)際的無(wú)線通信信道通常為多徑衰落信道,如圖8所示,分別在無(wú)糾錯(cuò)編碼、刪除卷積碼的軟判決和硬判決Viterbi譯碼,刪除卷積碼(Viterbi譯碼軟/硬)+交織這五種情況下通過(guò)4FSK調(diào)制的多徑衰落信道,由圖8可以看出: 圖8 多徑衰落信道下,刪除卷積碼的糾錯(cuò)性能 (1)在相同的Eb/N0情況下,圖8中的誤碼率高于圖7中的誤碼率,這是由于多徑傳輸造成的結(jié)果。 (2)當(dāng)Eb/N0>3 dB后,采用交織刪除卷積嗎糾錯(cuò)方案的Pe曲線下降較快,這也說(shuō)明經(jīng)過(guò)交織后,刪除卷積碼可以有效的糾正突發(fā)錯(cuò)誤,降低誤碼率。 信道編譯碼技術(shù)通過(guò)增加冗余碼元來(lái)提高信息傳輸?shù)目煽啃?,這對(duì)于無(wú)線通信的DCR系統(tǒng)的正確傳輸具有重要意義。本文對(duì)DCR標(biāo)準(zhǔn)中使用的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道糾錯(cuò)編碼技術(shù)進(jìn)行了分析,著重說(shuō)明了DCR系統(tǒng)中的糾錯(cuò)編碼方案的原理作用及刪除卷積碼的糾錯(cuò)性能。結(jié)果表明,在多徑衰落信道下,刪除卷積碼可以有效的糾正突發(fā)錯(cuò)誤,大大降低誤碼率。要根據(jù)業(yè)務(wù)信道的不同,設(shè)計(jì)較為合理的糾錯(cuò)編碼方案,從而保證信息傳輸?shù)目煽啃?。通過(guò)研究DCR系統(tǒng),我們國(guó)家可以以此為借鑒,制定并完善我國(guó)自己的標(biāo)準(zhǔn)。 [1]李進(jìn)良.我國(guó)必須制定統(tǒng)一的數(shù)字對(duì)講機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[J].中國(guó)無(wú)線電,2012,12:18-22. [2]ETSI TR 102 398 V1.1.2 (2008-05).Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Digital Mobile Radio (DMR) General System Design[S/OL].ETSI,2008.http://www.etsi.org/deliver/etsi_tr/102300_102399/102398/01.01.02_60/tr_102398v010102p.pdf. [3]ETSI TS 102 490 V1.2.1 (2006-08).Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Peer-to-Peer Digital Private Mobile Radio using FDMA with a channel spacing of 6,25 kHz with e.r.p.of up to 500 mW.[S/OL].ETSI,2006.http://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/102400_102499/102490/01.02.01_60/ts_102490v010201p.pdf. [4]Digital Convenience Radio Equipment for Simplified Service V.1.3.Association of Radio Industries and Businesses[DB/OL].2012.12.18.http://www.arib.or.jp/english/html/overview/doc/1-STD-T98v1_3.pdf. [5]王新梅,肖國(guó)鎮(zhèn).糾錯(cuò)碼——原理與方法[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2001:443-444. [6]Chunlong Bai,Bartosz Mielczarek,Witold A.Krzymien,et al.Improved analysis of list decoding and its application to convolutional codes and turbo codes[J].IEEE Trans.Inform.Theory,2007,53(2):615-627. [7]Alexandros K,Panagiotis R,Nicholas K. New constructions of high-performance low-complexity convolutional code[J].IEEE Trans.Communications,58(7):1950-1961. [8]Jie Luo.On low-complexity maximum-likelihood decoding of convolutional codes[J].IEEE Transactions on Informational Theory,2008,54(12):5756-5760. (責(zé)任編輯:劉劃 英文審校:劉敬鈺) ResearchonchannelcodecmethodinDCRsystem LI Yu-feng1,2,YANG Jun1,GUAN Qing-yang1 1.College of Electronic and Information Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136;2.National Mobile Communications Research Laboratory,Southeast University,Nanjing 210096) The formulation of digital intercom agreement is the hot issue of current research,and channel codec technology is one of the key technologies of digital intercom.The DCR system has adopted the advantages of dPMR system channel encoding scheme.Meanwhile,the DCR system uses the punctured convolutional code error correction technology,improving the ability to control channel transmission errors.In this paper,the codec scheme and the punctured convolution codec based on DCR protocol method are studied,and the ber of the different kinds of error correction codec technique is analyzed in detail.The simulation results indicate that,the punctured convolution codec can correct the burst errors effectively and reduce the error rate significantly in the multipath fading channel. DCR;Cyclic Redundancy Check;Punctured convolutional coding;Interweave 2013-10-18 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):61171081);江蘇省博士后基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):1101077C);航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):20122654004) 李玉峰(1968-),男,吉林長(zhǎng)春人,教授,主要研究方向:無(wú)線通信、圖像處理與傳輸,E-mail:li_yufeng@126.com。 2095-1248(2014)01-0067-05 TN929.52 A 10.3969/j.issn.2095-1248.2014.01.0144 結(jié)束語(yǔ)