Turbo码研究背景意义及现状.doc

蕿羂膁腿蒅羂袁莅莁薈肃膇莇薇膆蒃蚅薆袅芆薁薆羈蒁蒇薅肀芄莃薄膂肇蚂蚃袂节薈蚂羄肅蒄蚁膇芁蒀蚀袆膃莆蚀羈荿蚄虿肁膂薀蚈膃莇蒆蚇袃膀莂螆羅莅芈螅肇膈薇螄螇莄薃螄罿芇葿螃肂蒂莅螂膄芅蚄螁袄肈薀螀羆芃蒅衿肈肆莁袈螈芁芇袈羀肄蚆袇肃莀薂袆膅膃蒈袅袄莈莄袄羇膁蚃羃聿莆蕿羂膁腿蒅羂袁莅莁薈肃膇莇薇膆蒃蚅薆袅芆薁薆羈蒁蒇薅肀芄莃薄膂肇蚂蚃袂节薈蚂羄肅蒄蚁膇芁蒀蚀袆膃莆蚀羈荿蚄虿肁膂薀蚈膃莇蒆蚇袃膀莂螆羅莅芈螅肇膈薇螄螇莄薃螄罿芇葿螃肂蒂莅螂膄芅蚄螁袄肈薀螀羆芃蒅衿肈肆莁袈螈芁芇袈羀肄蚆袇肃莀薂袆膅膃蒈袅袄莈莄袄羇膁蚃羃聿莆蕿羂膁腿蒅羂袁莅莁薈肃膇莇薇膆蒃蚅薆袅芆薁薆羈蒁蒇薅肀芄莃薄膂肇蚂蚃袂节薈蚂羄肅蒄蚁膇芁蒀蚀袆膃莆蚀羈荿蚄虿肁膂薀蚈膃莇蒆蚇袃膀莂螆羅莅芈螅肇膈薇螄螇莄薃螄罿芇葿螃肂蒂莅螂膄芅蚄螁袄肈薀螀羆芃蒅衿肈肆莁袈螈芁芇袈羀肄蚆袇肃莀薂袆膅膃蒈袅袄莈莄袄羇膁蚃羃聿莆蕿羂膁腿蒅羂袁莅莁薈肃膇莇薇膆蒃蚅薆袅芆薁薆羈蒁蒇薅肀芄莃薄膂肇蚂蚃袂节薈蚂羄肅蒄蚁膇芁蒀蚀袆膃莆蚀羈荿蚄虿肁膂薀蚈膃莇蒆蚇袃膀莂螆羅莅芈螅肇膈薇螄螇莄薃螄罿芇葿螃肂蒂莅螂膄芅蚄螁袄肈薀螀羆芃蒅衿肈肆莁袈螈芁芇袈羀肄蚆袇肃莀薂袆膅 Turbo码研究背景意义及现状1 数字通信与信道编码2 Turbo码编译码方案的提出3 Turbo码的研究现状4 研究目的及意义随着社会的发展，信息的传播起着越来越重要的作用。现代通信朝着宽带化、智能化、综合化以及个人化的方向发展，传播手段不断更新，但它们都面临着一个不可避免的问题，即如何不断降低误码率，提高通信质量。纠错编码是用来改善数字信号可靠性的一种信号处理技术，随着数字通信的发展，纠错编码技术得到迅速发展，更重要的是电子技术，特别是半导体和集成电路的发展为纠错码的研究和应用提供的物质基础。Turbo码作为一种高性能的信道编码，为纠错码的研究带来的新的突破。1 数字通信与信道编码通信的目的是要把对方不知道的消息及时可靠地传送给对方，因此，要求一个通信系统传输消息必须有效与可靠，在数字通信中有效与可靠往往是一对矛盾。一个典型的数字通信系统模型如图1所示。图1种上方发送端的任务是将信源产生的信息转变成适合于信道传输的信息发送出去，而下方接收端的任务则是尽可能无差错的恢复发送端信源的信息。图1 数字通信系统模型信源生成的信号是模拟信号或数字信号。如果是模拟信号，则在送入数字系统传输之前需要进行采样和量化等数字化处理。经过信源编码后得到的数字序列即为信息序列。信道编码也就是纠错编码，它是为了降低信息码元的传输误码率，提高数字通信的可靠性而采取的编码。由于信道中存在各种噪声和干扰，不可避免的引起信号在信道中的传输失真。对于数字信号来说，失真的信号会导致码元被错误判决，进而产生差错。对信源数据加以适当的保护措施可以避免或减少这种误判的发生，这种保护措施被称为差错控制技术，纠错编码是目前应用最广泛的差错控制技术。采用纠错编码以后，对传输中可能或已经出现的差错进行控制，可以使误码率降低到用户允许的程度。信道编码将无规律性或规律性较弱的数据变换为有规律性或规律性较强的数据，信道译码利用这种外加的规律来鉴别并纠正错误。2 Turbo码编译码方案的提出随着用户对通信质量和数据传输速率要求的不断提高，通信技术和计算机技术在不断的迅速发展，作为消除或降低信息传输错误有效手段之一的信道编码也在不断发展。在过去的50多年里，有关纠错码技术的研究已经取得了许多骄人的成果。随着信息时代的到来以及微电子技术的飞速发展，今天的纠错码己不再单纯是一个理论上探讨的问题。它已成为现代通信领域中不可或缺的一项标准技术。现代通信系统的复杂化以及通信业务的多样化，要求通信系统能够对话音、数据、图像等大数据量信息实现高速实时传输，而且用户对通信质量的要求也在不断提高。另外，移动通信的快速发展以及个人通信的全球化，使得对高数据率数字移动通信等领域所采用纠错编码技术的要求也越来越高。近年来，依据信道编码定理，人们一直致力于寻找能满足现代通信业务要求，结构简单、性能优越的好码，并在分组码、卷积码等基本编码方法和最大似然译码算法的基础上提出了许多构造好码及简化译码复杂性的方法，提出了乘积码、代数几何码、低密度校验码、分组-卷积级联码等编码方法和序列译码、逐组最佳译码、软判决译码等译码方法以及编码与调制技术相结合的网格编码调制技术。虽然软判决译码、级联码和编码调制技术都对信道码的设计和发展产生了重大影响，但是其增益与Shannon理论极限始终都存在23dB的差距。直到1993年日内瓦国际通信会议上，C.Berrou、A.Glavieux和他们的学生P.Thitimajshima首次提出一种新型的信道编码方案-Turbo码4。由于它很好地应用了Shannon信道编码定理中的随机性编、译码条件，从而获得了几乎接近Shannon理论极限的译码性能。Turbo码一出现，就在编码理论界引起了轰动，成为自信息论提出以来最重大的研究进展。但由于几位发明者仅给出了一定参数下的计算机仿真结果，而没有严格的理论分析和解释，所以近些年来在编码界掀起了Turbo码的研究热潮。3 Turbo码的研究现状Turbo码在提出伊始，就受到各国学者和科学家的重视。从1997年开始国际上每隔三年便举办一次Turbo码及其相关主题的会议，提出了当时最新的理论与技术研究成果。国内外很多大学、研究所、大型通信公司都对Turbo码进行了大量的研究。国防科技大学、西安电子科技大学很多专家的成果都在此领域走在前列。在Turbo码的原理方面。C.Berrou等人给出了Turbo码的基本组成，即由递归循环卷积码与随机交织器组成；由于缺乏详细的理论阐述与证明，很多科学家对其原理做了研究与推导。Hagenauer、Ryan等人相继对迭代译码的原理做了阐述;很多人偏向于从低密度校验码(LDPC)的角度分析Turbo码，将其看作一种特殊的低密度校验码，这也导致了人们重新重视低密度校验码的热潮。但是迄今为止，对于Turbo码机理的研究人们还没有形成一个满意的结论。在Turbo码的性能分析方面。低信噪比时，通常采用计算机仿真的手段来对Turbo码性能进行评估；而在高信噪比时，一般使用联合界技术计算Turbo码的性能上界。有人提出从距离谱的角度对Turbo码进行分析，认为Turbo码的码字距离应该越大越好。人们也尝试从应用数学的角度对Turbo码的性能进行分析，也取得了一定的效果。在Turbo码的编码译码方面。利用强约束短码构造伪随机长码是Turbo码编码的核心思想，这样可以最大限度地接近香农极限。由于在Turbo码中使用最大似然译码难度较大，目前技术还不能达到，主要采用软判决迭代译码方法。多年前Bahl、Cocke、Jelinek、Raviv就共同提出了前向后向最大后验概率译码算法(MAP )，随着Turbo码的出现，这种译码算法才得到重视；传统的维特比算法(Viterbi )经过修正，形成了维特比算法的软输出算法(SOVA)。后来Turbo码的译码主要形成了以MAP算法、SOVA算法为代表的两大类译码方法。通过对MAP算法的改进，形成了对数域上的Log-MAP算法，Max-Log-MAP算法等方法。为了减小译码延时，有人提出了利用滑动窗的SW-MAP译码算法。很多人对低复杂性、低延时的译码算法进行了探求，有关译码算法改进的论文时有发表。在Turbo码的交织器设计方面。Turbo码之所以取得如此优异的性能，交织器的应用是一个重要因素。但是由于交织器的使用，使Turbo码的性能分析更加困难，因此设计高性能、低复杂性的交织器也是一个重要课题。目前广泛应用的交织器有分组交织器与随机交织器两大类。一般来讲，随机交织器具有更好的性能;通过交织器的设计规则对随机交织器进行改进是交织器设计的一个重要思路。分组交织器的优点则是易于分析，很多人都偏向于寻求分组交织器的变体。在规则交织器中，常用的有螺旋交织器、卷积交织器、黄金分割交织器等;在随机类交织器中S-随机交织器也是一种广泛使用性能较优的交织器。4 研究目的及意义Turbo码的提出改变了人们构造好码的传统观念，同时Turbo码迭代的思想也为解决不同通信领域的问题提供了新的思路。因此，Turbo码作为编码界的重大突破，其研究意义是不言而喻的。目前，在国外许多大学和研究机构都在进行Turbo码的研究。美国JPL实验室、纽约州立大学、瑞典的Chalmer大学、Lund大学以及澳大利亚的南澳大利亚大学等都在Turbo码研究领域取得了一系列的成果。此外，在ICC等许多通信和电子类的国际会议上，Turbo码都被作为一个独立的专题来讨论。Turbo码的研究已经得到了广泛重视。另外，Turbo码在实际系统中的成功应用也是促使Turbo码研究深入进行的一个重要因素。目前，Turbo码已经在深空通信、(移动)卫星通信以及多媒体通信等领域得到了广泛应用。Turbo编译码器的硬件产品也已经问世。但对于Turbo码来说，在地面无线通信系统中的应用研究最富有挑战性。无线信道是功率受限(便携式用户终端的能量供给有限)和带宽受限的(用户对业务需求的不断增加使得带宽资源匾乏)，同时衰落、阴影和多径效应使得无线信道异常复杂；而且系统的实时性要求也比较高，这些因素都使Turbo码的应用受到严重挑战。更重要的一点是，第三代移动通信系统IMT-2000已经将Turbo码作为其传输高速数据的信道编码标准。因此，开展Turbo码关键技术及Turbo原理的应用研究，具有理论和实践两方面的意义。 袅芀蚇蚆膀膆蚆蝿羃蒅蚅袁膈莁蚄羃羁芇螄蚃膇膃莀螅罿聿荿袈膅蒇莈蚇羈莃莈螀芃艿莇袂肆膅莆羄衿蒄莅蚄肄莀蒄螆袇芆蒃衿肃膂蒂薈袅肈蒂螁肁蒆蒁袃羄莂蒀羅腿芈葿蚅羂膄蒈螇膇肀薇衿羀荿薆蕿膆芅薆蚁罿膁薅袄芄膇薄羆肇蒆薃蚆袀莂薂螈肅芈薁袀袈膄蚀薀肃聿蚀蚂袆莈虿螅肂莄蚈羇袅芀蚇蚆膀膆蚆蝿羃蒅蚅袁膈莁蚄羃羁芇螄蚃膇膃莀螅罿聿荿袈膅蒇莈蚇羈莃莈螀芃艿莇袂肆膅莆羄衿蒄莅蚄肄莀蒄螆袇芆蒃衿肃膂蒂薈袅肈蒂螁肁蒆蒁袃羄莂蒀羅腿芈葿蚅羂膄蒈螇膇肀薇衿羀荿薆蕿膆芅薆蚁罿膁薅袄芄膇薄羆肇蒆薃蚆袀莂薂螈肅芈薁袀袈膄蚀薀肃聿蚀蚂袆莈虿螅肂莄蚈羇袅芀蚇蚆膀膆蚆蝿羃蒅蚅袁膈莁蚄羃羁芇螄蚃膇