一種利用Turbo碼糾刪特性的并行信息傳輸方法＊

王云飛 鄭晨熹 蘇全超 劉紹華

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 廣州 510663）

1 引言

信道編碼是提高信息傳輸可靠性的有效手段，1993年Berrou C［1～2］等人提出的Turbo碼方案以其接近Shannon限的良好性能引起了編碼界的廣泛關(guān)注，在各個(gè)方面得到廣泛的應(yīng)用。Turbo碼不僅在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）中被各種標(biāo)準(zhǔn)采用作為高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的信道編碼方式，而且在“準(zhǔn)4G”的LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃）中也被列為備選的信道編碼方案。

Turbo碼不僅具備顯著的糾錯(cuò)性能，同時(shí)也具備良好的糾刪特性，本文首先對(duì)Turbo的糾刪特性進(jìn)行介紹，然后介紹了并行信息數(shù)據(jù)傳輸，并討論了Turbo碼糾刪特性實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ā７抡骘@示，一定比例內(nèi)的刪除所導(dǎo)致Turbo性能下降有限，實(shí)現(xiàn)了傳輸性能和效率的統(tǒng)一。

2 Turbo糾刪特性

一般通信系統(tǒng)中，前向糾錯(cuò)碼所糾正的錯(cuò)誤位置通常事先是未知的，但當(dāng)系統(tǒng)中信道為刪除信道時(shí)，錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)將被遺棄，由于丟失的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)序列中的位置是已知的，那么譯碼性能將會(huì)得到一定的提高。

Turbo碼是一類軟輸入軟輸出的編碼方式，能夠充分利用軟信息和迭代譯碼提高性能，具備靠近Shannon理論限的良好性能［2～3］。高碼率的Turbo碼是通過將部分校驗(yàn)比特刪除得到的，在譯碼時(shí)將被刪除的比特軟信息置0，即等價(jià)于經(jīng)過了刪除信道的處理，所以Turbo碼天生具備良好的糾刪特性。只要將被刪除位置的軟信息置0，結(jié)合正常接收的軟信息一起進(jìn)行Turbo譯碼操作，即可實(shí)現(xiàn)糾刪功能。

3 并行信息傳輸

在某些特定的業(yè)務(wù)要求下，要求實(shí)現(xiàn)并行傳輸多路信息，每路信息長(zhǎng)度不同，甚至編碼，調(diào)制方式都會(huì)有所差異，如果采用頻分或時(shí)分等多址方式，將占用寶貴的信道資源。同時(shí)，如果某一時(shí)刻是否采用并行傳輸方式，而且并行傳輸多少路信息等條件是動(dòng)態(tài)變動(dòng)的，采用固定資源分配方式將會(huì)導(dǎo)致信道資源的浪費(fèi)。一種典型的應(yīng)用方式是在大量數(shù)據(jù)傳輸中，某些時(shí)刻可能需要并行傳送少量信息，例如在連續(xù)的視頻流業(yè)務(wù)傳輸中，偶爾需要插入語音或短消息等短報(bào)文業(yè)務(wù)。

針對(duì)這種業(yè)務(wù)模型，可對(duì)主要數(shù)據(jù)傳輸流采用Turbo編碼，當(dāng)需要并行傳輸時(shí)，在Turbo碼字序列的特定位置進(jìn)行刪除，Turbo碼字序列中被刪除的位置用于并行傳輸其它信息序列，從而實(shí)現(xiàn)并行信息傳輸。利用Turbo碼的糾刪特性，在接收端將被刪除的碼字恢復(fù)。雖然部分碼字的刪除將導(dǎo)致Turbo碼性能有一定的下降，但幸運(yùn)的是，第5部分的仿真將顯示。一定比例內(nèi)的刪除所導(dǎo)致的Turbo碼性能下降十分有限。

當(dāng)不進(jìn)行并行信息傳輸時(shí)，Turbo 碼獲得最佳的BER性能，當(dāng)需要并行信息傳輸時(shí)，以略微下降的BER 性能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的增加，實(shí)際體現(xiàn)了傳輸性能和效率的相互轉(zhuǎn)化。

并行傳輸?shù)男畔⒘骺梢跃邆洳煌木幋a和調(diào)制方式，以調(diào)制符號(hào)的形式進(jìn)行并行傳輸，圖1給出了對(duì)Turbo調(diào)制符號(hào)進(jìn)行刪除后并行傳輸?shù)氖疽鈭D。

圖1 調(diào)制符號(hào)刪除方式

如果待發(fā)送信息的調(diào)制方式都相同，則可進(jìn)行編碼比特的刪除，然后對(duì)混合編碼比特統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)制，從而提高傳輸性能，以下如果不進(jìn)行特別的說明，都是指進(jìn)行編碼比特刪除方式，如圖2。

圖2 編碼比特刪除方式

通過對(duì)Turbo碼刪除比例的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度信息流的并行傳輸。由于各個(gè)并行信息流之間是相互不影響的，可根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)要求，通過不同的編碼，調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)不同的傳輸可靠性，所以這里不再詳細(xì)討論。以下重點(diǎn)討論不同的刪除比例下，Turbo碼性能損失的程度。

4 刪除位置

為了盡可能降低刪除導(dǎo)致的Turbo碼的性能損失，對(duì)刪除符號(hào)的位置需要進(jìn)行特別的設(shè)計(jì)，由于Turbo碼碼字由系統(tǒng)比特和校驗(yàn)比特組成，而且不同碼字之間存在關(guān)聯(lián)，Turbo譯碼時(shí)分量譯碼器利用這種關(guān)聯(lián)性進(jìn)行最大似然軟輸入軟輸出（SISO）譯碼［8～9］，并進(jìn)行迭代交換外信息，從而達(dá)到提升性能的目標(biāo)。如果某個(gè)碼字的系統(tǒng)和校驗(yàn)比特被全部刪除，該碼字將完全依賴相鄰碼字的糾正，這將導(dǎo)致較差的譯碼效果。其次，如果連續(xù)若干個(gè)碼字的系統(tǒng)（校驗(yàn)）比特都被刪除，則碼字之間的關(guān)聯(lián)性將被削弱，不利用SISO 譯碼。所以，刪除位置需要滿足以下幾個(gè)要求：

1）編碼后的系統(tǒng)比特和校驗(yàn)比特單獨(dú)存儲(chǔ)；

2）對(duì)系統(tǒng)，校驗(yàn)比特分別進(jìn)行均勻刪除；

3）系統(tǒng)，校驗(yàn)比特起始刪除位置盡量錯(cuò)開，避免同一個(gè)碼字的系統(tǒng)，校驗(yàn)比特被同時(shí)刪除。

例如對(duì)分量碼率為1／2的Turbo碼，以表示系統(tǒng)比特流，分別表示第一，二個(gè)分量編碼器的校驗(yàn)比特流，

進(jìn)行1／4比例編碼比特刪除，利用以上規(guī)則得：系統(tǒng)比特流→X的刪除位置為｛0，4，8，…｝；校驗(yàn)比特流→P的刪除位置為｛2，6，10，…｝。

5 性能仿真

由于Turbo碼性能難以進(jìn)行理論分析，所以下面主要以仿真對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證。仿真中采用CDMA2000系統(tǒng)的Turbo碼，RSC分量碼碼率為1／3，傳輸函數(shù)為

通過不同的刪于矩陣，得到1／2.1／3，1／4碼率的輸出。如不進(jìn)行特別說明，以下仿真都假設(shè)Turbo譯碼迭代次數(shù)為十次，理想信道估計(jì)，無頻偏的情況下進(jìn)行。調(diào)制方式為QPSK 調(diào)制，信息比特均為長(zhǎng)度為1024，交織器為經(jīng)過搜索得到的S＝16的S 交織器，譯碼算法采用MAX-LOG＿M(jìn)AP算法，分別用1／2和1／4的Turbo碼率，對(duì)不同的編碼比特刪除比例下，仿真結(jié)果如圖3～4：在1e-5的BER 性能上，以圖表方式體現(xiàn)不同刪除比例下，與無刪除情況下相比的性能損失如表1所示：

圖3 1／2碼率下的刪除性能

圖4 1／4碼率下的刪除性能

表1 性能損失表（dB）

可以看到，當(dāng)刪除比例為1／16 時(shí)，性能損失僅為0.5dB。而且1／4碼率的Turbo碼具備更高的抗刪除性能。

6 結(jié)語

本文介紹了利用Turbo碼糾刪特性實(shí)現(xiàn)并行信息傳輸?shù)姆椒ǎ?duì)不同刪除比例下的Turbo碼性能進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明一定比例的刪除對(duì)Turbo碼性能影響不大，實(shí)現(xiàn)了傳輸性能和效率的統(tǒng)一。

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