（通信与信息系统专业论文）基于综合优化考虑的turbo码交织器的设计研究.pdf

浙 江 大 学 硕 士 毕 业 论 文 y6 8 9 0 2 9 摘要 t u r b 。 码自 1 9 9 3 年被提出以来，就被迅速接受并被认为是编码领域中具有里程碑意 义的创新。它也从根本上影响了我们对于高性能纠错编码的思路和想法。 交织器的 设计是.t u r b o 编解码系统中一个非常重要的问 题， 不同的交织器设计策略将 会直接影响到整个编解码系统的性能。 在对交织器设计要求以 及各种常用交织器进行充 分的分析之后，本文对传统交织器在组合应用条件下的性能进行了仿真分析和理论探 讨。 接下来，重点提出和讨论了基于s 随机算法的综合优化方法，并利用这种方法，就 交织器的主要设计要求进行了综合优化设计和生成。 在性能仿真的基础上，系统的分析 和讨论了各个优化要素在不同条件下对于整体性能的不同影响及其互相制约的关系，并 据此提出了交织器综合优化所应遵循的具有普遍意义的设计原则。 关于模拟退 火( s i m u l a t e d a n n e a l i n g 砂 这种被证明 能 有效提高 t u r b o 码性能的 交 织器设计新思路， 本文就其在综合优化中的应用进行了初步探讨，阐述了利用该算法对 交织器实现更有效优化的具体方法，并且就短帧情况进行了实现和仿真。最后，给出了 进一步研究的方向。 相对于传统交织器或单一优化性交织器的设计，本文提出的基于综合优化思想的交 织器设计方法和具有普遍意义的优化设计原则， 对于在更加复杂的设计要求和应用环 境下提高t u r b o 码系统的性能，有着非常实际的意义。 关键词:t u r b 。 码，交织器，综合优化，s 随机算法，模拟退火算法。 浙江大学硕士毕业论文 abs tract s i n c e t h e f i r s t a p p e a r a n c e o f t u r b o c o d e s a n d a r e l a t e d s t r u c t u r e i n 1 9 9 3 厂 t u r b o c o d e s a r e d e e m e d t o b e o n e o f t h e m o s t e x c it i n g a n d p o t e n t i a l l y i m p o rt a n t d e v e l o p m e n t s in c o d i n g t h e o ry i n m a n y y e a r s . t u r b o c o d e s a l s o i n t r o d u c e a f u r t h e r d i m e n s i o n t o i n t e r l e a v e r r e q u i r e m e n t s . a p p r o p r i a t e c h o i c e o f in t e r l e a v e r s i s i m p o r t a n t t o t a k e a d v a n t a g e o f c o d in g g a i n s t h a t t u r b o c o d e s c a n o ff e r . ma i n r e q u i r e m e n t s f o r i n t e r l e a v e r d e s i g n a r e d i s c u s s e d i n t h e p a p e r . u s i n g a fl e x i b l e s o ft w a r e t u r b o c o d e c a n d s i m u l a t i o n e n v i r o n m e n t w e e s t a b l i s h e d . , t h e p e r f o r m a n c e s o f v a r i o u s c l a s s i c a l i n t e r l e a v e r s a r e c o m p a re d a n d a n a l y z e d . a n o p t i m i z e d i n t e r l e a v e r d e s i g n t e c h n i q u e b a s e d o n s - r a n d o m a l g o r i t h m i s p r o p o s e d t o s i m u l t a n e o u s o p t i m i z a t i o n o f s e v e r a l r e q u i r e m e n t s f o r i n t e r l e a v e r d e s i g n一 t h e r e s u l t s o b t a i n e d s h o w t h a t i t i s a n e ff e c t i v e t e c h n i q u e . a ft e r a n a l y z i n g t h e r e s u l t s w e o b t a in e d , s o m e k e y r e q u i r e m e n t s a n d s u g g e s t i o n s f o r s i m u l t a n e o u s o p ti m i z a t i o n i n i n t e r l e a v e r d e s i g n a r e g i v e n . a s a s o f t- d e c i s i o n a l g o r i t h m f o r o p t i m i z a t i o n , s i m u l a t e d - a n n e a l i n g a l g o r it h m h a s p r o v e d e ff e c t i v e i n i n t e r l e a v e r d e s i g n . i n t h i s p a p e r , w e a l s o d e m o n s t r a t e h o w t o u s e i t in s i m u l t a n e o u s o p t i m i z a t i o n o f s e v e r a l o p t i m i z a t i o n r e q u i r e m e n t s f o r i n t e r l e a v e r d e s i g n . s o m e s m a l l b l o c k s i z e s i m u la t e d - a n n e a l in g i n t e r l e a v e r s a r e d e s i g n e d a n d b e r p e r f o r m a n c e s o f t u r b o c o d e c s y s t e m s w i t h t h e s e i n t e r l e a v e r s a r e o b t a i n e d fr o m s i mu l a t i o n . k e y wo r d s : t u r b o c o d e s , i n t e r l e a v e r , s i m u l t a n e o u s o p t i m i z a t i o n , s - r a n d o m a l g o r it h m , s i m u l a t e d - a n n e a l i n g a l g o r i t h m. i i 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 t u r b o码 ( t u r b o - c o d e s )自 提出之日 起， 便成为了通信学科中最为人瞩目 的研究热 点之一。 虽然距离其正式提出不过十年时间，但是学者们对其所做的大量理论和应用上 的努力，已经把t u r b o 码的研究推进到了一个新的层次。纵观t u r b o 码相关的研究在这 十年来的发展，我们可以清晰的体会到t u r b o 码对整个学科所带来的重大影响。而对它 在理论和实际应用上的未决及待改进的问题的研究和探讨，仍然是将来一段时间内的人 们关注的重点 而交织器的优化设计就是，t u r b o 码相关问题中极具研究价值的一个。 1 . 1 .关于 t u r b o 码 1 9 4 8 年，通信理论作为一门 严谨的学科，伴随着c . e . s h a n n o n 题为 “ 通信的数学 理论”的这篇划时代的论文而诞生。在这篇完成于半个多世纪以前，堪称现代通信理 论基石的伟大文献中，s h a n n o n就通过信道编码定理指出:只要编码效率 r小于信道 容量c ，总可以采用差错控制编码的方式使信道输出的错误减少到任意小。也就是说， 对于容量为c的信道，存在编码效率r=c的编码方式，能够在该信道上进行无差错 的传输。 现在我们知道，在s h a n n o n 所提到的关于信道编码潜力以及信道容量的论断上，他 没有犯下哪怕最细小的错误。我们现在己经可以非常接近但是，绝对不会有一丝一 毫的超越一一他曾经所提出的极限容量。信道容量对于致力于纠错编码的通信学界来 说，无疑是一道不可逾越的界限。就是为了实现这样的渐近，有许多人曾经付出过巨大 的 努 力。 h a m m in g , r e e d与s o l o m o n , g a ll a g e r , f o r n e y , v it e r b i ， 以 及 其 他 许 许多 多 的 出色的学者们，都为这座 5 0年历史的恢弘大厦的建造做出过重大的贡献。但是，在信 息理论的领域中却似乎曾经存在着一个潜在的偏见，那就是:因为数字通信的基础就是 建立在有力的数学理论之上 2 1 ， 于是， 纠错编码理论也在很长一段时间中， 被认为是仅 仅归属于数学上的问题。 可是， 如果我们能够认为“ 好码” ( 例如， b c h , r e e d - s o l o m o n 等)的定义要感谢代数工具的话，那么， 物理学在这方面同样也起到了它的作用，特别 是针对一些具体相关的译码技术时 2 3 = 1 0 0 0 ) 。忽略 码的具体结构， 一个原始的m l 解码器将要拿2 n 个码字序列和接收到的序列进行比 较， 然后从中 选择最终的结果。显然这样的 运算复杂度几乎是无法实现的 2 7 0 因 此，在，t u r b o 码提出 之前， 编码学界就着力于次佳的解码方式的 研究， 包括采用 级联解码器协同或者迭代译码的尝试，而其中最常被注意到的就是一类软输出的维特比 译码算法，主要思路就是利用一个软输出的维特比 译码器 川，将输出 传给与之级联的 另一个软输出的维特比译码器，以进行后续的译码;同时，在 2 0年前就被提出的 s y m b o l - b y - s y m b o l 的 最大后验 译码 ( m a p ) b c j r算法【 1 0 也引 起了 人们的 注意。 而 后 者就是b e r r o u 在文献【 1 中所使用的t u r b o 码解码算法的原型。 按照【 1 1 0 中的内容，我们可以写出如下的改进型b c j r算法的相关公式: y , ( r , , rr i , m ) = p ( r k l d k = i , s , = m , s k - i = ni) g ( d k = i / s k = ; ; s k _ 1 = 7 d ) ; r ( s k = m / s k - 1 = n i ) ( 1 - 3 a ) 艺艺y , ( r , , m , m ) a l 1 ( m )k - 1 a i ( m )k= -. . , j = o 叉艺艺艺y , ( r k , m , m ) a k - 1 ( m ) ( 1 - 3 b ) 用m i i = o j = o 艺 艺 y r ( r k + l , m , m ) q k + l w ) 风 ( m ) = 一 一 m ! r= o 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 艺 艺 艺 艺 y r ( r x + v m , m ) a k ( m ) ( 1 - 3 c ) m m ， r = o j = o 义 ( m ) = a ;, ( m ) 八( m )( 1 - 3 d ) a ( 叭) = l o g( 1 - 3 e ) 其中， r代表的是接收到的 序列 ( x , y ) , d 代表的是编码器的输入信息比 特， s 代表 的是编码器状态。算法如下: ( 1 )初始化参数: 对叫( m ) 与a . ( m ) 进行初始化 浙江大学硕士毕业论文 a 占 ( 0 ) = 1 风( 0 ) = 1 喝( 0 ) = 1 八 ( m ) = 0 d m#0 , i =0 , 1 ; d m #0 . ( 2 )针 对于 解 码 端所 接 收 到的 每一 个 观 察 值r k ， 我 们都 要 根据( 1 - 3 a ) 以 及( 1 - 3 b ) 这 两 式， 分 别计 算a , ( m ) 与y i ( r k i - , m ) 的 取 值 ， 即 : y i 帆, i , 网= p (凡/ 峨= i, 又= m气 = i ) 9(d, 二 i l 凡= ri 4 气 = , m ) a r ( s k = m l s k _ , 二 m ) 艺 y i ( r x m + m ) a k , ( m ) a ( m ) = 一 一 m j = 0 一 一 一 一 一 一 - - 艺 艺艺 艺 y ; ( r , , m , m ) a k - i ( m ) 爪. ，r = 0 i = 0 ( 3 )当 整 个 观察 序列r 尹 都 被接收 下来 之 后， 我 们 再利 用关系 式 ( 1 - 3 c ) 来 计 算 概 率a ( m ) ， 之 后 再 将a ( mk) 与6 k ( m ) 相 乘以 取 得4 ( m ) 。 最 后， 对 应于 每 个 译码比 特d , 的似然比l l r则通过关系式 ( 1 - 3 e ) 来计算获得; 艺艺 y i ( r * . i , m , m ) )6 k l ( m ) 八 ( m ) = 一 m r= 0 一 一 一 一 一 一 一 y_y,y y_ y i ( r x . a , m , m ) a r ( m ) 研耐 i = 0 j = 0 凡( m ) = 试( m ) 风( m ) 1 ( u k ) = l o g ( 4 )进行判断，算法结束。 利用 这种改 进的b c j r算 法， 按照如图1 - 4 所示的 译码器 原理， b e r r o u 等人在 l l 中 所提出的o r i g i n a l t u r b o c o d e 获得了 在本文开始所介绍的那样优异的 近香农限的性能， 而由下图中的性能 ( 交织长度6 5 5 3 6 ，码率1 1 2 ， 按照图1 - 2 编码，并使用迭代译码方式 解码) 不难看出， 这种基于外信息交换的反复迭代译码的解码方式， 其性能表现与迭代 次数有着非常直接的关系，在条件允许的情况下，更大的迭代次数往往可以带来更加出 色的系统性能: 浙江大学硕士毕业论文 卜f 嘴 厂 件 呼 熟 队 飞 嗽 介 呱龟 吟 唾悬 u n c l d , d 参 熟 一 攀暇犷 j哭 蒙肇 思.资 灸 iil i i 弩 气 崔 熟祛 踢为 滚 骼蔗 鑫 馨 一 淮 - 金一 ，若 一 一 ( 噢 擎 一 矜_ 戛 _气 蕙 飞 飞 _一 】 一; 一 赶f 瓷 攀 主 履 彭 从 馨 _- 髯 - 一 髯 几渐 -r 飞 二 春 翔 卜 卫 、 舀 州. . 蜜 注 一 wi s 尸 # 3 0 几， 1 o ， 1 0.1 1 0 .4 1 o -5 0 1 , 2 3 4 5 刁弋但 田 图1 - 5典型t u r b 。 码的b e r 性能 1 . 3 . t u r b o 码性能及其解释 由 于 t u r b o码最初提出时，仅仅是作为一个经验性的发现，提供了其构造方式和计 算机仿真结果，至于理论解释和分析则远远不足，这也导致了在 i c c 9 3之后，通信学 者们研究t u r b o 码的热潮的出现。 研究的主要方向可以分为两类，一类是集中于对 t u r b o码出色的性能的理论分析和 解释;另一类则是集中在具体实现上份 采用什么样的方式或者说改进措施，能够尽可 能的在保持甚至提高t u r b o 码性能的 基础上来降低， u r b o 码译码的复杂程度 6 0 t u r b o 码的优异性能究竟源于何处?许多人从不同的角度作出了分析。 香农的信息理论 2 中的重要结论提到， 增大分组码的 码字长度或者卷积码的约束长 浙江大学硕士毕业论文 度可以提高性能，然而码字长度的增加必然导致解码复杂度的上升一一与此类似的情 况，香农也指出，“ 随机”的编码能够提高性能，然而，通常为了降低解码复杂度而采 用的措施，都不可避免的损害了编码的 “ 随机性” ，从而最终导致了性能的下降。 针对这个， 有文献【 1 4 提出了定性的 分析， 认为香农的有噪信道编码定理的 三个基本 条件采用随机性编译码;编码长度 l趋近无穷即分组的码组长度无限; 译码采用最 佳的最大似然译码方案恰恰可以说明t u r b o 码优于其他方案的原因所在。 t u r b 。 码中的交织器通过随机置换使长码具备了伪随机性， 因此， t u r b o 码之所以具 有如此令人惊异的优越性能， 其根本原因之一在于其实现方案中由于交织器的引入而实 现的伪随机性; 而t u r b o 码所采用的将r s c并行级联的方式， 能够在编制长码的同时采 用反馈迭代译码，真正发掘了级联码的潜力，以其类似随机的编译码方式，更逼近了香 农随机码的性能; 最后， t u r b o 码中的修正的b c j r 算法， 令成员码译码器d e c i ,d e c 2 均可采用性能优良 的卷积码，实现了软输入软输出递推迭代式译码， 使编译码过程实现 了 伪随机化，并简化了最大似然译码的算法，使其达到了接近s h a n n o n 限的优异性能。 较之定性分析，对于我们的设计和实践更有意义的是对 t u r b o码的码字结构或者说 重量谱进行的定量分析 7 l 基于一般卷积码的性能限公式 p , 2(v+ n ) n d, 0) d d 2 pe6 ( 1 - 4 ) d = d , n 其中p 。 是卷 积码的比 特错 误率， n d 是码字的 重 量为d 的 码 字个数，o) d 是 码字重量 为d的所有信息序列的平均重量，而v 是卷积码的记忆级数，n为输入序列长度 ( 分组 长 度 )，d free 指自 邮巨 离 ， r 为 传 码 率 ， e b / n o 对 应 于 信 噪 比 。 而 t u r b o那优异的性能正是由于在随机交织器和并行级联卷积码的共同作用下，对 码字的 距离谱 有一 个 “ 谱稀疏” ( s p e c t r a l t h i n n i n g ) 的 作用【 7 ， 不妨考察一 下t u r b o 码 与相近级数和复杂度的 基于最大自由 距离准则设计的卷积码( m f d ) 的 距离谱。 如下表: 表1 . 1 是一个典型的 ( 3 7 , 2 1 , 6 5 5 3 6 )的 “ 平均” t u r b o 码 (c i .e . 考察时对所有可能 的伪随机交织器做了统计平均) 浙江大学硕士毕业论文 表 1 一 1( 3 7 , 2 1 , 6 5 5 3 6 ) “ 平均”t u r b o 码距离谱 d n dw d 64 . 59 81 12 2 1 02 0 . 54 1 1 27 51 5 0 表 1 - 2 是一个 ( 2 , 1 , 1 4 )的mf d卷积码 表 1 - 2 ( 2 , 1 , 1 4 )的m f d 距离谱 d n dw d 1 83 31 8 7 2 01 3 61 0 3 4 2 28 3 57 8 5 8 2 4 4 7 8 75 3 9 9 4 2 62 7 9 4 13 6 1 7 6 2 2 81 6 2 5 1 32 3 7 4 4 5 3 3 09 4 5 5 7 01 5 4 5 2 9 9 6 3 25 5 2 3 4 49 9 6 5 9 2 3 6 通过如上比较 疏的性质 7 0 通过图1 - 6 7 . 看出，对于 t u r b o 性能。 不难理解为什么说t u r b o 码的距离谱相较于卷积码，具有所谓谱稀 图1 - 7 7 中各个重量的 码字对于误码限的“ 贡献” 的 形象比 较， 可以 码来说，在信噪比 较低的情况下，显然可以取得优于m f d卷积码的 浙江大学硕士毕业论文 1 0 1 0 c 卜 - o吕 mm肠d 助 目 口 一习d . . ,场 合- . . - 0 d * 8 合一 么伽 1 0 司一 4 d - 1 2 |j习，刁月j. 1ol0l0 .雌公台七目书门 -习 :导 客 a今 . 砖 、伙 、 之 昙 一 ， 1 0 书 s - 一 令 l r ici: 么03 月 叔1卜|匕. e 凡 ( d b ) 图 1 - 6( 3 7 , 2 1 , 6 5 5 3 6 ) t u r b o 码各重量码字对误码限影响 1 0 l 1 0 1 0 书 - 一 令s 6 n d 目! 1 t 条二 涤d m 产 “ 0 一口d 二 加 口一 幻 d 二 翻 合一 今d . 刘 合. . . . 心d 月8 司- 0 - f d . 2 8 b. . . . fl d * 3 0 1 0 0 1 n 出口留，仁目一舀 1 e 1 0 - i 、二 助 图1 - 7 ( 2 , 1 刀 1 , 1 4 ) mf d 2 . 03 刀 耳n i ( 胡) 卷积码各重量码字对误码限的影响 1 1 浙江大学硕士毕业论文 而根据普通卷积码的性能限公式而推导的t u r b o码性能限公式中可以看出.t u r b o码 的b e r ， 更大程度的取决于自由 距离的 码字多样性 ( m u l t i p l i c i t y ) 。 这也解释了为什么 t u r b o 码这种基于减少低重量的码字多样性( m u l t ip l ic i ty ) 而设计的编码性能要优于基于 最大自由距离设计的mf d卷积码了。 t u r b o 码的性能限可以近似为: p h “ n f re e c j f re e n q ( , i d fr ee( 1 - 5 ) 通过前面的讨论我们知道， t u r b o 码的小重量码字的个数很少， 大部分码字的重量集 中分布于 1 / 2 码长附近。而当信噪比较小时，误码差错的图样主要是小码重的图样。由 于t u r b o 码小码重的 码字个数很少， 相应的概率密度很低， 所以 在( 1 - 5 ) 中的 线性项较小， 所以 性能很好;而在大信噪比时，其中线性项虽然仍然较小，但取决定性作用的是其中 的指数项，因此最小汉明距离成为主要的参数，而t u r b o 码的最小汉明距离和普通的卷 积码的 最小自由 距离差不多。 这一特点表现在b e r性能曲 线上就是t u r b o 码的曲 线在低 信噪比下明显较之普通卷积码陡峭，但是到了高信噪比区，它们的下降的坡度却开始趋 同 了 ( 见图1 - 8 7 ) ， 这就是 所谓的“ 误 码底” ( e r r o r f l o o r ) 的 含 义 3 1 1 , 3 2 1 . 而在 ( 1 - 5 ) 式中， 在其余参数不变的情况下，如果能够提高n值， 将会从整体上提 高t u r b o 码的性能，降低整个 “ 误码底” 7 0 浙江大学硕士毕业论文 n . 砧匀叹1 9 肚 e r a t i o n s n = 1 6 3 7 m. 1 忿能 e r a t i o n s n = i d z i , 1 3 i t e r a t i o n s l0卯扩矿l0记l0旷 之月目。阁怂月 2 . 02 3 图1 - 9不同码字长度的 1 . 0 e ./ n a ( d b ) t u r b o 码( ( 3 72 1 ) 子码) 性能比 较 浙江大学硕士毕业论文 1 . 4 . t u r b 。 码系统中的交织器设计 交织器对于设计一个好的t u r b o 码有着非常重要的作用， 这已经成为了学界的共识 3 0 1 ， 而且， 对于怎样设计一个好的交织器， 也有很多的 实践性的经验; 然而， 遗憾的 是，到目前为止，交织器的设计与选择对于 t u r b o码系统的最终性能的影响，始终缺 乏非常完善的理论解释以及定量分析。因此，不难理解为何 ，t u r b o交织器设计工作更 多的时候被称之为经验性的 工作 2 8 1 0 交织器本身实际上己经在通信系统中应用了相当长的一段时间。而它的传统作用 是使错误出 现的 位置随机化，从而使可能的突发错误( b u r s t e r r o r ) 成为可纠的随机错 误，这就适合于无线衰落信道等应用中;同时， 它也被用于级联编码中，以 减少可能 出 现的 外译码器 ( o u t e r - s t a g e d e c o d e r )出 现突发错误的 情况。 然而在丁 u r b 。 码系统当中，我们对于交织器的要求，不仅仅只着眼于在传统通信 系统当中 ( 例如，无线通信系统) ，将可能的突发错误分散这样一个设计要求，我们往 往要考虑到更加丰富和复杂的设计要点:比如，迭代译码算法的效果、对各级译码器 之间外信息的连续传递的影响 ( 这里具体说来，是指降低原信息序列与交织后序列之 间相关性的要求)等等。 在b e r r o u 等首次提出下 u r b 。 码的时候， 就曾经提到过一些设计好的交织器的最重要 的要求，其中特别强调的是: . 增大分组长度 ( 实际也就是交织器的长度)将能够提高性能; . 交织器应当能够将输入序列随机化以 避免某些低重量的输入序列交织 后仍然不变， 从而减小了丁 u r b o 码的 有效自 由 距离o 1 而到现在为止，对于交织器作用的理论认识，主要可以总结为以下两点: a . 从码重层次来看，交织器增大了校验码重，尤其是针对低重量的输入序列的输 出校验码重，有效的增大了自由距离，从而改善了t u r b 。 码的性能;实际上要指出的 是，在编码器与交织器的联合设计下，当交织器n增大时，t u r b o 码码字的谱线收敛 于“ 稀疏” ;即交织器设计对于所谓s p e c t r a l 丁 h in n in g 效果也是不可或缺的。 b . 从相关性层次来看， 交织器最大可能的置乱了输入序列的顺序，降低了输入输出 之间的相关性。 8 1 实际上， 在t u r b o 码交织器设计当中存在着一些考虑要点以及主要准则， 设计者在进 行t u r b o 交织器设计时，往往是直接基于这些设计准则来选择适合自己设计要求的交织 器的。 如何针对这些设计考虑和准则，实现全局性的交织器综合优化设计，就是本文讨 1 4 浙江大学硕士毕业论文 论的中心问题。 1 . 5 .主要工作及论文体系 本文研究的主要对象就是t u r b o 码交织器设计的综合优化问题。 在研究过程中， 由传统交织器到单一优化交织器， 再由传统交织器的简单组合应用 到基于硬判决 s随机算法的综合优化设计，直到最后提出以软判决的模拟退火算法来 实现进一步综合优化的方法，笔者希望能在各个不同的设计层面上对综合优化设计问 题做出有参考价值的工作和提出有指导意义的建议。 1 . 5 . 1 .主要工作 本文中笔者的主要工作包括: . 对现有的主要交织器类型进行了系统的考察，并且从综合优化设计的角度 出发，对它们进行了性能分析和分类; . 提出基于s随机算法的t u r b o 码交织器的综合优化设计方法， 充分挖掘了s 随机算法在综合优化上的算法潜力，并且对以此算法设计的综合优化设计交织器性 能进行了考察和分析; 口. 在对综合优化设计交织器的性能进行比较分析的基础上，总结了各优化要 素在不同的条件下对于系统性能的不同影响，并进一步提出了对于t u r b o 码交织 器综合优化设计具有普遍意义的一系列优化设计原则和要求; . 提出了更为复杂的，以模拟退火交织器为基础的综合优化设计的具体方法 和设计考虑，并且在短帧情况下，完成了初步的实现和仿真工作。 1 . 5 . 2 .本文的篇章结构 本文第二章， 从理论与实践两方面对t u r b o 码交织器设计研究的现状进行了介绍与 分析。 较全面的列举了在t u r b 。 码交织器设计当中被普遍接受和使用的设计要求与准 则，并且 就各个设计准则做出了理论分析及探讨;然后，系统介绍了以行一 列交织为特 点的经典型交织器和以针对性优化设计为特点的单一优化型交织器;通过对这些类型 交织器的系统性能的仿真与比较，得到了对优化设计的初步认识。 第三章， 从综合优化的角度出发来讨论 t u r b o 码交织器设计问题。 首先， 就经典型 交织器的组合应用进行了尝试，提出了具体组合应用的设计方法，并且就所设计的组 合应用交织器的系统性能进行了仿真和分析;然后， 着重提出了基于 s随机生成算法 浙江大学硕士毕业论文 的t u r b 。 码交织器综合优化设计方法， 并对以此算法设计的一系列t u r b o 码交织器的系 统性能进行了仿真;接下来，在分析前面仿真性能的基础上提出了 t u r b o码综合优化 设计的若干条优化设计原则;最后，详细介绍了利用软判决的模拟退火算法来进行更 复杂的 t u r b o码交织器综合优化设计的方法，并在短帧情况下进行了模拟退火交织器 设计以及性能讨论。 第四章， 讨论了，t u r b o 码系统的软件实现以及仿真平台建立当中的一些具体问题。 主 要就t u r b o 编译码系统某些关键参数设定问题上的详细考虑，仿真中的调制方式和信道 建模问题，以及软件语言和仿真平台的选择等方面做出了阐述。 第五章，为全文的结语部分。作者简要总结了本文的主要工作和相关结论，同时指 出了未来在t u r b o 码交织器的综合优化设计上有待深入的几个研究方向。 浙江大学硕士毕业论文 第二章t u r b o 码交织器设计 正如在前文中提到的， 影响t u r b o 码性能的一个至关重要的因素就是t u r b 。 码交织 器的设计，关于交织器在 t u r b 。编解码系统中的作用与主要的设计准则，人们的认识 也是一个发展的过程。随着认识的深入，设计者们渐渐不满足于早期以纯经验性和直 观性为特点的设计方法， 而将更多的注意力转移到对应着 t u r b o 码交织器设计准则的， 更有目 的性的交织器优化设计方法上来。通过性能考察和比较，不难看出，将富有针 对性的优化手段引入到交织器的设计当中来，是一件具有实际意义的工作。 2 . 1交织器设计要求 虽然交织器的设计工作，一直以来由于其优化要求的相对复杂和互相制约的关系存 在，从而导致一直以来都欠缺非常完善的理论上的指导和分析，所以，在很多情况下的 t u r b o 码交织器的设计，实际上是一种更偏向经验性的工作。 但即使这样，却并不妨碍我们在进行设计时，仍然可以有目的性的用一些主要的要 求来约束我们的设计工作不过应该指出的是，当我们针对这些要求进行设计时，特 别是当我们希望对各个具体的优化要求实现同时优化的情况下，由于它们内在的互相制 约和互为矛盾的关系，而导致我们的优化设计是一个具有相当挑战性的问题，在实行尽 力而为的优化的同时，还要针对各个优化要求的重要程度以及在具体环境下的对整体性 能的影响大小来进行取舍和优化资源的分配，所以要充分的认识到问题的复杂程度。 而且实际上，由于各个因素内在的关联，即使我们只是针对单个的设计要求进行优 化，也并非是一件轻而易举的事情。所以，作为我们优化设计的研究和讨论，必须建立 在对于一些基本的设计要求或准则的充分认识和掌握的基础之上。 2 . 1 . 1 . 交织长度 如同第一章中的提到的，我们得到下面的下 u r b o 码的性能限: p a - w f e e n e e ! , i 厅 一下,e 1 - 二 下 _甘卜 声 c ur .几=， / vv n o ) . 上式可以 看出， 尽可能的提高n , ( 我们假设是在其他参数不变的情况下) ， 将会 直接降低 p b ， 从而在整体整体上降低“ e r r o r f lo o r ( 下图是在假设使用 u n if o r m 浙江大学硕士毕业论文 i n t e r le a v e r 的情况下) 7 1 并且此时e r r o r f lo o r 的 坡度却并未被改变 ( 见图1 - 9 ) 。 这 一效果已 经在j p l的 相关文章中得到了 探讨和以 及证明 9 l . . 同时要注意. 增加分组长度必然引起解码码端的 延迟， 以 及系统的复杂度。 怎样 处理这一对矛盾，是实际应用当中很重要的问题。 2 . 1 . 2 . 随机化要求 交织器对于信息序列的随机化将明显的影响到系统的性能，这一点在应用中是比较 明显，并且己经得到了广泛承认的。 . 对交织器的随机化要求， 一个重要原因就是通过对低重量的信息序列的随机化 处理， 从而使编码器输出的码字的自由距离增大， 从而可以达到提高性能的目的 7 1 3 a . 随机化要求的另一个作用， 通常认为， 它将会降低解码过程中， 校验序列的相 关性，不过遗憾的是，随机化对于我们在 t u r b o码系统当中所使用的译码器的迭代 性能究竟如何产生影响， 具体影响效果如何，目 前为止， 还并不明朗4 1 。 这个理由 实际上和我们在传统的无线通信系统中使用交织器的理由非常相近， 在该种情况下， 正是由于噪声样式中存在的时间相关性，此时应用随机交织器，将能够有效的提高 纠错编码的性能。 此外，这里的随机化要求，和我们下面即将提到的扩散化要求，某种意义上，是互 为矛盾的，他们两者之间互为消长的影响关系，或者说具体效果，仍然有待进一步研究 和更加完善的探讨。 2 . 1 . 3 . 扩散化要求 为了将连续的解码器之间所发生的突发错误扩散开，需要令信息序列中接近的 ( w it h in 5 m , m是成员码的 记忆阶数) 比 特对在交织之后尽可能的远离，以防 止错误比 特 过于集中导致无法正常解码，这里选择 5 m是由于在卷积码的接收序列中某比特的错误 对于整个序列的影响主要体现在5 m距离内的临近比特上， 而对于这一点， 当一个m a p 译码器接收到一个仅存在一个比特错误的编码序列时，我们只要考察它所输出的置信度 ( p o / p 1 ， 尸 0 和p 1 分别是针对某一位置的比特的译码正确和错误的后验概率) 就不难发 现。 浙江大学硕士毕业论文 下面这幅图，就是对一个由， 0 2 个数据比特和2 个终结比特组成的编码帧，通过一 个译码器之后的结果进行的考察 ( 这里使用的编码是， n = 2 , k = 1 ,v = 2 的r s c码) ， 这时， 处于第5 2 位置的比 特是错误传输的 4 。 很显然的， 在错误位置的左右1 0 比 特范围以内 的相邻比特受到了最明显的影响，因此，我们将相邻 5 v比特范围内的信息序列尽量错 开，这样可以防止突发错误对系统性能造成过大的影响。 甘 ， 哨卜 平 溯, _ f , 二 冬 勺. 二 翔拼盆不巴 共一一 只 二 二 刁 二 书卜 嗯 卜一 巴呀 ，.卜 二二 卜 . 一. - 卜， ，. r 一种， 叫t 曰， ， 朱幸:;:侣】卜 、 宝r 黔飞哥绍 r l氮 飞 二 二 1 尸. 层 1 懊 卜 片 拼 书降拜卜硕 州洲 产 州 曰1 _ _德 l 1 万爪 下 _ 舒_ 二 _ 盯黑跪， 翠 墨塑 建 攀 穿 叁婴摹 f耀戴鲁 纂 墨黑 耀 攀 .l . 爵 翼 麒 粼 攀 绘书 一 卜二 卜 卜l卜frl1 一 飞犷一 1 ， 丫 丫全 - 吕 子 .口潇尸 飞 r 竺 书盆t刁l召 : l全 会 l犷 飞. -份 童 一吮r 一 犷 翩 _os 词 兹 ;副 1 甲 月国 易 在 笼 麟淤t 蒸 拱二 蓄 f 手遥月妻 奎于戴 澳绍 穷 司胃 益翻 串 洲 阵: 川卜 一 浦 卜 卜弓卜 唯 一 佗挤 事 一 二卜 一 乎 闷鄂沙 李护卜i弓洲 月 茗 :蓦 l 1 一 飞 扭巨1犷 履 1 ，1 1_要 111 毛一 i. 一 i 习l1 ， 尸 1兰 同号 翔 舅巨 亘 眨 重望照户和叫 巨势 茜竺巡竺 鲜曰 砚 票 (巨 鲜是 裔 肖绝 芭澡: 蒸l 霭熏 ! 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