新型級聯(lián)碼在移動通信中的性能仿真分析

朱貝貝，劉有耀

（西安郵電大學(xué)電子與工程學(xué)院，陜西西安710061）

移動通信這一技術(shù)已經(jīng)深入到人們生活和工作的各個方面，包括日常手機(jī)的使用，無線電話等。然而由于移動通信中無線信道時變的特點，傳輸信道一定存在大量的衰落和噪聲，從而導(dǎo)致傳輸?shù)男盘柊l(fā)生失真或者接收端對接收到的信號產(chǎn)生誤判，使通信過程存在大量的不確定性，這對移動通信的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展會產(chǎn)生巨大的影響。考慮到移動通信的信道特點，本文采取強(qiáng)大的信道信道編碼方案去糾正傳輸過程中產(chǎn)生的誤碼，減少通信中的誤碼率[1-2]。

考慮到移動通信的具體情況，本文提出了一種新型的編碼調(diào)制技術(shù)。這種新型的編碼技術(shù)是用Turbo-MTCM作為內(nèi)碼，RS編碼作為外碼，中間采用一種交織器來使得兩種碼型進(jìn)行級聯(lián)。提出的這種新型的編碼技術(shù)它的主要創(chuàng)新點在于使用MTCM分量碼來代替TCM分量碼，因為MTCM分量碼比TCM分量碼有更好的性能[3]。

由于信號在信道傳輸中往往是隨機(jī)錯誤和突發(fā)錯誤并存的。隨機(jī)錯誤是相互獨立的，互不相關(guān)的；而突發(fā)錯誤是連續(xù)出現(xiàn)的，之間存在相關(guān)性，一個錯誤往往會影響后面的一串碼元。脈沖干擾和無線信道中的衰落都會引突發(fā)錯誤。本文提出的這種級聯(lián)碼方式，就可以很好的對抗隨機(jī)錯誤和突發(fā)錯誤的并存[4-5]。并通過相應(yīng)的解調(diào)譯碼步驟，可以大大的提高誤碼率的特性，在實際應(yīng)用中也有很好的價值。

1 信道編碼的思路

糾錯碼是常用的信道編碼方式，主要有線性分組碼和卷積碼兩種。

線性分組碼與卷積碼在編碼時，都是將每K個輸入的信息編成n個碼元，再輸出。

但他們的區(qū)別在于，卷積碼編碼器產(chǎn)生的n-k個監(jiān)督碼元不僅與k個信息碼元有關(guān)，還與前L-1個輸入碼字有關(guān)，而分組碼監(jiān)督碼元僅與k個信息碼元有關(guān)。所以線性分組碼和卷積碼都有各自的優(yōu)點，卷積碼適合進(jìn)行串行傳輸且時延較小，合適糾正隨機(jī)錯誤，而線性分組碼糾錯能力強(qiáng)，尤其對于突發(fā)錯誤有極強(qiáng)的糾錯能力，缺點就是隨著碼長的增加，譯碼器的計算量也會相應(yīng)增加。

如果可以使線性分組碼和卷積碼結(jié)合起來構(gòu)成串行碼，可使兩者的優(yōu)勢互補(bǔ)?；谶@一思路我們提出來一種適用于移動信道的新型級聯(lián)碼。

2 新型級聯(lián)碼的實現(xiàn)與構(gòu)造

Turbo碼是1993年被學(xué)者提出來的一種新的編碼方案，Turbo碼由于其有接近香農(nóng)極限定理的性能。它巧妙地將兩個簡單分量碼通過偽隨機(jī)交織器并行級聯(lián)來構(gòu)造具有偽隨機(jī)特性的長碼，并通過在兩個軟入/軟出（SISO）譯碼器之間進(jìn)行多次迭代實現(xiàn)了偽隨機(jī)譯碼。而且當(dāng)時的仿真結(jié)果表明，在AWGN信道下，碼率為1/2的Turbo碼在達(dá)到誤比特率（BER）≤10-5時，Eb/N0僅為約0.7 dB（這種情況下達(dá)到信道容量的理想Eb/N0值為0 dB），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他的編碼方式，一時在信息和編碼理論界引起了轟動。因此剛被提出時，就很快成為大家研究的熱點，試圖應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)中。

級聯(lián)碼是由Forney首先提出來的，傳統(tǒng)的編碼方案中，我們都知道較長的碼可以使編碼的性能有所提升，但隨著碼長的增加，譯碼段的復(fù)雜度也隨著增加，譯碼出錯的概率也會隨之增加。因此，F(xiàn)orney提出了用兩級編碼的方案，即就是用兩個短碼構(gòu)成一個長碼，并在譯碼端采用兩級譯碼的方式。這樣，在沒有明顯增加譯碼復(fù)雜度的情況下，也解決了通信信道中的隨機(jī)錯誤和突發(fā)錯誤。RS碼和卷積碼級聯(lián)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)中[6-8]，且性能良好?；诖?，我們提出一種新型的級聯(lián)碼方案，即用MTCM分量碼來代替常用的TCM分量碼組成新型的Turbo-MTCM和RS碼級聯(lián)方案，基于此我們提出了如圖1所示的新型級聯(lián)仿真模型。

圖1 新型級聯(lián)碼的仿真框圖

如上圖，首先產(chǎn)生二進(jìn)制數(shù)作為信源進(jìn)入RS（204，188）外編碼器進(jìn)行編碼，然后進(jìn)入交織器，交織的目的在于打散連續(xù)的突發(fā)錯誤，使之變成離散的短的錯誤，從而增加糾錯碼的能力[9]。因此，交織器的交織的深度我們選擇8，任何長度大于8的突發(fā)錯誤，經(jīng)交織和解后，成為短突發(fā)錯誤。內(nèi)編碼我們使用2/3的碼率。并將內(nèi)編碼后的數(shù)據(jù)率送入調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制[10-11]，并送入AWGN信道中，在信道中我們會加入一些噪聲。之后進(jìn)入解調(diào)階段。經(jīng)過信道的數(shù)據(jù)，我們需要進(jìn)入內(nèi)譯碼器進(jìn)行第一級譯碼，隨后進(jìn)入解交織器進(jìn)行解交織操作，通過RS外譯碼器[6]進(jìn)行譯碼，恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。通過比較輸出端和輸入端的數(shù)據(jù)來得到我們整個系統(tǒng)的性能。

2.1 RS碼方案的確定

本文中我們選用的是 RS（204，188）碼，它是由被NASA，ESA，CCSDS等空間組織用于空間信道糾錯的RS（255，223）碼截斷而得到的。

在GF（2m）域中，（n，k，t）RS碼有如下的特征：

n=2m（n為碼字所包含的符號數(shù)，m為RS碼字每個符號表示的信息位數(shù)）；

r=n-k=2t（r為監(jiān)督位符號數(shù)，k為信息長度，t為可糾正的錯誤符號數(shù)）；

R=k/n（R為RS碼的碼率）；

d0=n-k+1=r+1=2t+1（d0為RS碼的最小碼距）。

本文所采用的的 RS（204，188）碼[6]，即就是每輸入188個符號，經(jīng)過外RS編碼器可以輸出204個符號碼，其中監(jiān)督為的符號數(shù)為16，則一次可糾正的錯誤符號數(shù)t為8，RS碼的最小碼距則為17，編碼效率R為92.16%。

2.2 級聯(lián)碼中交織器的選擇

實際信道中產(chǎn)生的錯誤往往是突發(fā)錯誤或者突發(fā)錯誤與隨機(jī)錯誤并存。尤其是在移動通信這種變參的信道上，人們希望設(shè)計這樣的信道編碼，既能糾正隨機(jī)錯誤又可以糾正單個或多個突發(fā)錯誤。交織方法是一種很實用而且常用的構(gòu)造碼方法，它能把比較長的突發(fā)錯誤或多個突發(fā)錯誤離散成隨機(jī)錯誤。交織是指一個數(shù)據(jù)序列在一一對應(yīng)的條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)的位置重新排列過程。而解交織就是它的逆過程，將接受到的信息序列還原到原位置。本文我們使用的是塊交織技術(shù)，塊交織的原理示意圖如表1所示。

表1 塊交織的原理示意圖

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中某時刻發(fā)生突發(fā)錯誤，連續(xù)產(chǎn)生ma個錯誤，由于交織技術(shù)，把這ma個分散到每行，則每行產(chǎn)生的錯誤個數(shù)就為a個，則整個系統(tǒng)的糾錯能力就擴(kuò)大了m倍。交織器的交織深度應(yīng)不應(yīng)不小于信道可能的突發(fā)錯誤長度即內(nèi)碼的差錯序列長度，否則解交織后仍存在突發(fā)錯誤[7]。交織器的交織寬度應(yīng)不小于級聯(lián)碼外碼的約束長度，否則，突發(fā)錯誤不能徹底打散?；诖?，我們選擇（5，204）交織器。即交織寬度取204，交織深度取5。

2.3 級聯(lián)碼內(nèi)碼Turbo-MTCM

本文研究的級聯(lián)碼我們的內(nèi)碼選用的是Turbo-MTCM編碼調(diào)制技術(shù)，MTCM即多重網(wǎng)格編碼調(diào)制技術(shù)[8-10]，網(wǎng)格圖的每條分支上傳輸?shù)姆枖?shù)大于2。在AWGN信道和衰落信道中，相對于TCM[12-13]，MTCM可以獲得更好的誤碼率性能。該Turbo-MTCM編碼方案是采用MTCM作分量碼來實現(xiàn)的。本文設(shè)計一種碼率為2/3的Turbo-MTCM作為級聯(lián)碼的內(nèi)碼。其編碼器的結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2 Turbo-MTCM系統(tǒng)框圖

1）比特序列首先進(jìn)入網(wǎng)格編碼器，輸入端每次輸入b個比特，輸出s個比特，映射到個符號的星座圖上，產(chǎn)生K個信道符號。

2）符號交織器的大小為N，以b個比特為單位進(jìn)行奇偶交織。

3）而整個編碼器的輸出為交替的奇偶位置輸出[14-16]。

3 新型級聯(lián)碼的仿真

MATLAB是一種功能非常強(qiáng)大的科學(xué)計算和工程仿真的軟件，提供了一個集成化的開發(fā)環(huán)境。本文采用MATLAB中已知的對應(yīng)得編碼函數(shù)，對本文提出的這種新型的級聯(lián)碼Turbo-MTCM和RS級聯(lián)的這種編碼方案進(jìn)行了代碼的仿真，得到如下的編碼仿真曲線。并通過對比只進(jìn)行RS編碼的仿真曲線相比較，說明了本文提出的新型的級聯(lián)方案，具有良好的性能，可以有效的降低誤碼和提高編碼增益。本文提出的新型級聯(lián)碼仿真圖如圖3所示。

通過分析上圖中的仿真圖形，對比上面的圖形可知：RS編碼的增益比未編碼只進(jìn)行BPSK調(diào)制的增益好大約3 dB，RS+Turbo-MTCM這種新型級聯(lián)編碼調(diào)制的方式性能卻要好于只進(jìn)行RS編碼。從圖中我們可以看到當(dāng)誤碼率pb≤10-5時，RS+MTCM這種編碼方式比只進(jìn)行RS編碼有大約2個多dB的編碼增益。

基于此圖，分析可以得到如此好的增益的編碼方式的原因，第一我們進(jìn)入了RS碼的級聯(lián)碼，我們都知道RS碼有極強(qiáng)的糾正信道中突發(fā)錯誤的能力。再者我們使用了二元MTCM的編碼調(diào)制技術(shù)很好的利用了譯碼信息，從而可以得到比較好的性能。其次，我們在級聯(lián)的過程中使用了交織器來進(jìn)行交織，交織可以使連續(xù)的長的錯誤被打散變成短序列錯誤，從而使更好的糾錯，達(dá)到更好的性能。

4 結(jié) 論

本文針對移動通信信道存在大量的噪聲，衰落，干擾等因素，從而導(dǎo)致接收端的不確定性等特點。提出了通過RS碼和Turbo-MTCM編碼調(diào)制中間使用交織使兩種碼級聯(lián)的方式，并通過MATLAB建模和編寫腳本來完成了此仿真，結(jié)果證明比只用RS編碼有更好的增益。運(yùn)用編碼和調(diào)制結(jié)合的思想，一改以往獲取編碼增益以頻帶為代價的思想，在有高編碼增益的同時提高了頻帶利用率，有效的提升了無線通信的質(zhì)量，增加通信可靠性。

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