Turbo碼嵌入比特交織編碼調(diào)制系統(tǒng)的一種新的迭代時序方案

王麗耀，李懷軍

(1.中國傳媒大學(xué)，北京100024；2.國家計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息安全管理中心河北分中心，河北050000)

Turbo碼嵌入比特交織編碼調(diào)制系統(tǒng)的一種新的迭代時序方案

王麗耀1，李懷軍2

(1.中國傳媒大學(xué)，北京100024；2.國家計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息安全管理中心河北分中心，河北050000)

在簡單的迭代方案中，把兩個RSC譯碼器看成一單個部件，檢測器只從第二個RSC譯碼器中獲得先驗(yàn)信息，產(chǎn)生新的輸出傳遞給第一個RSC譯碼器。這種方案計算復(fù)雜度低，但是獲得的誤碼率性能比較差。在傳統(tǒng)的迭代方案中，任何一個部件都要從其它兩個部件中獲取先驗(yàn)信息來產(chǎn)生新的軟信息。這種方案雖然獲得了較好的誤碼率性能，但有較高的計算復(fù)雜度。本文提出在接收端各組件之間一種新的迭代方案，就是兩個RSC譯碼器之間內(nèi)部迭代和兩個RSC譯碼器整體跟檢測器外部迭代同時進(jìn)行。跟前兩個方案相比，提出的方案達(dá)到了性能和復(fù)雜度的折中效果。

比特交織編碼調(diào)制(BICM)；迭代；檢測；譯碼；turbo碼

1 引言

比特交織編碼調(diào)制(BICM)是由Zehavi首次引入[1]，之后Caire進(jìn)一步研究改善其系統(tǒng)的性能在瑞利衰落信道[2]。它是一種有效的傳輸方案而且沒有擴(kuò)大帶寬[3]。迭代聯(lián)合解碼和解調(diào)輔助BICM系統(tǒng)稱作BICM-ID已經(jīng)提出。作為一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)，Turbo碼嵌入到BICM-ID已經(jīng)被使用在很多系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)更好的性能[4，5]。

1993年，一篇論文引起了人們極大的興趣，該論文提出了一種編碼離香農(nóng)限只有0.5 db。該碼被命名為“Turbo”[6]。如今Turbo已經(jīng)成為一個主要的編碼研究與應(yīng)用[7]。Turbo碼嵌入到比特交織編碼調(diào)制系統(tǒng)的接收端可以看作由一個檢測器和兩個RSC譯碼器這三個迭代接受部件組成。在文獻(xiàn)[8]中，已經(jīng)研究了由多個相同收斂點(diǎn)的部件組成的迭代接受機(jī)的迭代時序方案，然而不同的時序方案有不同的復(fù)雜度。因此，接收機(jī)的各個部件之間的迭代需要好好安排來達(dá)到性能和復(fù)雜度的折中。

2 Turbo碼嵌入到比特交織編碼調(diào)制的系統(tǒng)模型

Turbo碼嵌入到BICM的系統(tǒng)模型如圖1。迭代接收端的turbo譯碼器是由兩個級聯(lián)的RSC譯碼器組成，這兩個譯碼器看作一個整體。軟信息在檢測器和turbo譯碼器之間進(jìn)行迭代交換。

接收器端turbo譯碼的迭代信息也同時在兩個RSC譯碼器中迭代(稱為譯碼迭代或內(nèi)部迭代)。第一個RSC譯碼器把接收到的輸入產(chǎn)生一個軟輸出。這種輸出通過一個交織器后作為第二譯碼器的改進(jìn)的估計先驗(yàn)概率(APRs)。第二解碼器把來至第一譯碼器的信息作為輸入或APRs產(chǎn)生另一個軟輸出序列。這個軟輸出序列通過解交織后反饋到第一譯碼器作為第一譯碼器先驗(yàn)信息，改善了第一譯碼器下一次迭代譯碼的軟輸出。隨后，第二解碼器再用精確的先驗(yàn)概率來改善其軟輸出…直到達(dá)到最大的迭代次數(shù)迭代停止。

圖1 Turbo碼嵌入到BICM的系統(tǒng)模型

在第K次迭代譯碼，來至第一個MAP譯碼器的后驗(yàn)概率對數(shù)似然比可用下面公式表示：

(1)

(2)

其中：

(3)

Λle(ut)是外信息的對數(shù)似然比值。

第二個譯碼器的先驗(yàn)概率可以從外信息的對數(shù)似然比值得到：

(4)

在第二次譯碼階段，后驗(yàn)對數(shù)似然比值計算公式如下：

(5)

(6)

3 接收端譯碼迭代時序方案

3.1 一種簡單迭代時序方案

在簡單的迭代時序方案中[10]，兩個RSC譯碼器被當(dāng)作一個單獨(dú)的組件。因?yàn)樗牡蛷?fù)雜性，該方案是一種使用較為廣泛的迭代接收機(jī)。

簡單迭代接收機(jī)的時序方案如圖2所示。為了簡單明了說明迭代過程，任何兩個組件之間的交織器和解交織器忽略不畫。圖中采用的數(shù)字表示接收機(jī)迭代激活的順序。

圖2 簡單迭代時序方案

過程一：對于檢測器的每次激活，它需要從第二RSC譯碼器來獲得先驗(yàn)信息從而生成新的軟輸出作為第一個RSC譯碼器的輸入；

過程二：第一個RSC譯碼器利用從檢測器得到的先驗(yàn)信息來產(chǎn)生更新的軟輸出。產(chǎn)生的新的軟輸出的碼字和外信息系統(tǒng)(或消息)比特將被傳遞給第二個RSC解碼器；

過程三：第二個RSC譯碼器將第一RSC譯碼器提供的先驗(yàn)信息以生成新的軟輸出碼字和外信息系統(tǒng)比特，然后將這些碼字和比特傳遞給檢測器；…

與比傳統(tǒng)方案[5]相比，該簡單方案的誤碼率性能要差。然而，三個組件每幀總激活數(shù)量比傳統(tǒng)方案減少了3倍。這是由于明顯降低迭代譯碼次數(shù)從而大大減少系統(tǒng)復(fù)雜度。

3.2 迭代時序方案

在傳統(tǒng)方案的迭代接收端，檢測器、RSC譯碼器1、RSC譯碼器2被看作是三個獨(dú)立被激活的組件。在每一次迭代譯碼過程中，三個組件中任何一個都會從其它兩組件中獲得最新的先驗(yàn)信息，來產(chǎn)生更加準(zhǔn)確的軟輸出信息。

傳統(tǒng)迭代接收機(jī)迭代譯碼方案顯示如圖3。第K次的迭代接受過程如下：

過程一：檢測器從兩個譯碼器中獲得碼字符號的先驗(yàn)信息，用以得到輸出發(fā)射符號的估計軟信息。

過程二：RSC譯碼器1從檢測器得到碼字的先驗(yàn)信息和從譯碼器2中獲得信息比特的先驗(yàn)信息，然后產(chǎn)生一個碼字的軟輸出(此輸出傳遞給檢測器)和系統(tǒng)比特外信息(此輸出傳遞給譯碼器2)。

過程三：譯碼器2從檢測器和譯碼器1中獲取先驗(yàn)信息，來產(chǎn)生更加精確的新的碼字和外信息的軟輸出。分別在傳遞給檢測器和譯碼器1作為它們的先驗(yàn)信息。

接著在返回到過程一，進(jìn)行下一次接收迭代。

圖3 傳統(tǒng)迭代時序方案

3.3 新型迭代時序方案

為了實(shí)現(xiàn)前兩個方案中誤碼率性能和計算復(fù)雜度的折中，一種新的算法提出。這種新方案的迭代時序：{檢測器，RSC1，RSC2，RSC1，RSC2} (第一次接收迭代)；{檢測器，RSC1，RSC2，RSC1，RSC2} (第二次接收迭代)；…

新方案的的迭代譯碼時序如圖4.第K次的迭代譯碼過程如下：

圖4 新型迭代時序方案

過程一：在檢測器被激活迭代過程中，它利用從譯碼器2傳遞過來的先驗(yàn)信息，輸出新的軟比特信息傳遞給譯碼器1.

過程二：譯碼器1同時利用檢測器傳來的碼字軟信息和譯碼器2傳遞來的內(nèi)部信息作為先驗(yàn)信息，輸出新的碼字軟輸出和外信息比特。

過程三：譯碼器2只利用來至譯碼器的先驗(yàn)信息比特作為輸入，然后產(chǎn)生新的軟輸出。

在接收機(jī)每次迭代譯碼過程中，檢測器激活一次，每個譯碼器激活兩次。對于接收端每幀的迭代時序方案，接收機(jī)的迭代次數(shù)要低于傳統(tǒng)迭代時序方案。

4 仿真結(jié)果

對于所有的方案，每幀長度都為1540比特，碼率1/2。系統(tǒng)的傳輸環(huán)境我們采用BPSK調(diào)制，格雷碼映射，高斯衰落信道。最大迭代次數(shù)為16次。接收端兩個RSC譯碼器的生成器都為[1，5/7]8。

不同方案的性能曲線表示如圖5，新型迭代時序方案的不同的迭代次數(shù)性能的對比曲線圖表示如圖6。

圖5 不同迭代時序方案性能曲線

圖6 新型時序方案不同迭代次數(shù)性能曲線

仿真結(jié)果表明：在相對較低的信噪比環(huán)境中，新方案得到比簡單的方案多0.2dB編碼增益，但它和簡單的方案的計算復(fù)雜度差不多。與傳統(tǒng)方案相比，每幀數(shù)據(jù)在相對更高的信噪比情況下，三個組件的總激活次數(shù)的可以減少5倍。在這個仿真過程中，大約可以節(jié)省40%計算工作量。

5 結(jié)論

這篇文章在Turbo碼嵌入到BICM的系統(tǒng)中，提出一種新新型迭代時序方案。在該方案中，兩個RSC譯碼器的內(nèi)部迭代和檢測器與譯碼器之間的外部迭代同時進(jìn)行。該方案取得了較好的誤碼率性能和計算復(fù)雜度折中。仿真結(jié)果證實(shí)：在相對較低的信噪比環(huán)境中，新方案得到比簡單的方案多0.2dB編碼增益，但他們有幾乎相同的計算復(fù)雜性。與傳統(tǒng)方案相比，三個組件的總激活次數(shù)可以減少到原來5倍，而兩個方案幾乎具有相同的誤碼率性能。

[1]Zehavi E.8-PSK trellis codes for a Rayleigh channel[J]. IEEE Trans Commun 1992，40(5)：873-884.

[2]Caire G，Taricco G，Biglieri E.Bit-interleaved coded modulation[J].IEEE Trans Inform Theory，1998，44：927-946.

[3]Mackay D.Good error correcting codes based on very sparse matrices[J].IEEE Trans Inform Theory，1998，44：399-431.

[4]Zhao Wusheng，F(xiàn)u Yongqing，Lv Qiang.The Turbo Equalization in Bit Interleaved Coded Modulation with Iterative Decoding[C].HIS ’09 Fifth International Conference on Colume 3，2009：489-492.

[5] Yang T，Yuan J.A new scheme in an iterative receiver for a turbo-coded MIMO-BICM[C].2006 IEEE Region 10 Conference，2006：1-4.

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[8]Brannstron F，Rasmussen L K，Geant A J.Convergence analysis and optimal scheduling for multiple concatenated codes[J].IEEE Trans Info Theory，2005，51(9).

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[10]Liu Shuyang，Li Jian-ping，Cai Chaoshi.A novel decoding scheme for BICM-ID embedded turbo codes[C].WICOM 2010 International Conference，2010：1-4.

ANewIterativeSchedulingforBICM-IDEmbeddedTurboCodes

WANG Li-yao1，LI Huai-jun2

(1.Communication University of China，Beijing 100024，China；

2.Hebei Branch of National Computer Network and Information Security Management Center，Hebei 050000，China)

In a simple iteration scheme，the two RSC decoders are treated as a single component.The detector only takes the priori information from the second RSC decoder to generate new soft outputs for the first RSC decoder.However，this scheme gets worse BER performance with simple computation complexity.In the conventional iteration scheme，a component takes the priori information provided by the other two components to generate new soft information.However，this scheme has high iterative computation complexity with general BER performance.This paper proposes a new iteration scheduling among the components in the receiver，in which inner iteration between two RSC decoders and outer iteration between detector and decoders are used simultaneously.Simulation results show that the proposed scheme can achieve a good performance and complexity trade-off compared with the simple iteration scheme and the conventional scheme.

bit-interleaved codes modulation(BICM)；iterative；detection；decoding；turbo codes

2013-01-25

王麗耀(1987-)，男(漢族)，山西忻州人，中國傳媒大學(xué)碩士研究生.E-mail：wangliyao1987@126.com

TN921

A

1673-4793(2013)02-0034-05

(責(zé)任編輯：王 謙)