（通信与信息系统专业论文）网络turbo码的fpga实现方案.pdf

摘要 中继作为l t e - a 中研究的热点，越来越受到业界的关注。中继协作通信技术 可以带来空间分集增益，在中继中使用网络编码技术，可以在不损失分集增益的 前提下有效的提高网络的吞吐量和传输速度，而且具有良好的鲁棒性，这也是近 几年研究的热点之一。 本文从多址接入中继系统模型出发，给出了一种联合网络编码- t 1 l r b o 码的传 输方案。中继节点对接收到多个用户的信息先进行译码，然后进行网络编码，并 将编码比特发送给目的节点。目的节点可以利用中继节点和源节点发送的信息进 行译码，我们称之为网络t u r b o 码。 接着基于硬件的实现，我们分析了t u r b o 码的译码原理，并对目前存在的 m a p 、l o g m a p 和m a x l o g m a p 译码算法进行了理论分析和性能比较。随后， 本文在权衡译码性能、硬件实现复杂度及资源消耗等因素的前提下，围绕着如何 提高译码器的速度，从算法改进和结构改进两方面进行了详细的讨论。在算法改 进技术上，我们对l o g m a p 译码算法进行了简化，很大程度上减少了l o g m a p 译码算法的复杂度。在结构改进技术上，我们采用并行滑动窗方法，解决了必须 接收到一帧数据才能译码的问题。我们还分析了将浮点数转化为定点数的量化问 题，并通过计算机仿真进行了验证。 最后我们根据简化算法给出了每个模块的f p g a 具体实现方案。 关键词：中继网络编码t u r b o 码f p g a a b s t r a c t r e l a yi sah o tr e s e a r c ht o p i c 、析t l lm o r ea n dm o r ea t t e n t i o np a i db yi n d u s t r yf i e l d s i nt h el o n gt e r me v o l u t i o n - a d v a n c e d t h er e l a ya n dc o o p e r a t i v et e c h n i q u e sh a v e a t t r a c t e de x t e n s i v ea t t e n t i o n si nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sd u et ot h ee x t r as p a c e d i v e r s i t yg a i n t h ea p p l i c a t i o no f t h en e t w o r kc o d i n gi nr e l a yn e t w o r k sc a ne f f e c t i v e l y i m p r o v et h et r a n s m i s s i o nr a t ea n dt h et h r o u g h p u tw i t h o u tt h el o s so fd i v e r s i t yg a i n t h i s i so n eo ft h eh o tr e s e a r c hi nr e c e n ty e a r s an e wt r a n s m i s s i o ns c h e m ec o m b i n e dw i t ht u r b on e t w o r kc o d i n gi sp r o p o s e di n t h et h e s i s ，w h i c hi sb a s e do nm u l t i a c c e s sr e l a y i n gs y s t e mm o d e l 。i nt h em o d e l ，t h e r e l a yn o d ed e c o d e sa l lt h em e s s a g e sr e c e i v e df r o mt h em u l t i u s e r sf l r s t l y , t h e ne n c o d e s t h ed e c o d e dm e s s a g e st o g e t h e ra n df o r w a r dt h ec o d e db i t st ot h ed e s t i n a t i o nn o d e t h e d e s t i n a t i o nn o d ed e c o d e st h eo r i g i n a lm e s s a g e sw i t ht h er e c e i v e ds i g n a l s ，w h i c ha r e f r o mt h es o u r c en o d e sa n dt h er e l a yn o d e w ec a l lt h ep r o c e d u r en e t w o r kt u r b oc o d e a f t e rt h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n s ，w ea n a l y z e dt h ed e c o d i n gp r i n c i p l eo ft u r b o c o d e s ，i na d d i t i o n , t h et h e s i sa l s os t u d i e dt h ee x i s t i n gd e c o d i n ga l g o r i t h m s ，s u c ha sm a p l o g m a pa n dm a x - l o g m a pt h ep e r f o r m a n c e so ft h e s ea l g o r i t h m sa r ea l s os i m u l a t e d a n dc o m p a r e d t h e n ，i no r d e rt oi m p r o v et h ed e c o d i n gs p e e d ，t h ei m p r o v e m e n t so f a l g o r i t h m sa n dc o n f i g u r a t i o n s a r ed i s c u s s e di nd e t a i li nc o n d i t i o no fd e c o d i n g p e r f o r m a n c e ，t h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t ya n dr e s o u r c ec o n s u m p t i o n i n t h ea s p e c to ft h ea l g o r i t h mi m p r o v e m e n t s ，w es i m p l i f i e dt h el o g - m a pd e c o d i n g a l g o r i t h m ，w h i c hc o n s i d e r a b l yr e d u c e dt h ec o m p l e x i t yo ft h el o g m a pa l g o r i t h m i n t h ea s p e c to ft h es t r u c t u r ei m p r o v e m e n t s ，w ea d o p tt h ep a r a l l e ls l i d i n gm e t h o d ，w h i c h o v e r c o m et h e p r o b l e mo fd e c o d i n g a f t e r r e c e i v i n g a l le n t i r ef r a m ed a t a t h e q u a n t i z a t i o no fc o n v e n i n gt h ef l o a t i n g - p o 缸t ot h ef i x e d p o i n tn u m b e ri sa n a l y z e da n d v e r i f i e db y c o m p u t e rs i m u l a t i o n f i n a l l y ，w eg i v et h ef p g ai m p l e m e n t a t i o nf o re a c hm o d u l e k e y w o r d s ：r e l a y n e t w o r kc o d i n gt u r b oc o d ef p g a 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了无线通信的发展以及目前存在的问题，然后介绍了中继协作 通信的三种处理方式：放大转发模式，译码转发模式和编码协作模式，接着介绍 了基于网络编码的中继传输技术，最后给出了本文的研究内容和章节安排。 1 1 无线通信的发展与存在的问题 随着社会、经济以及科技的发展，特别是数字通信技术，射频技术，计算机 技术的发展，近些年来，移动通信系统以其显著的特点和优越的性能得以迅猛发 展，并应用在社会的各个方面。移动通信系统从4 0 年代发展至今，根据其发展历 程和发展方向，可以划分为三个阶段。 第一代移动通信系统是1 9 7 8 年由美国贝尔实验室开发的a m p s ( 高级移动电 话业务) ，这是第一种真正意义上的具有随时随地通信能力的大容量的蜂窝移动通 信系统。a m p s 采用模拟调制，蜂窝原理和频分多址( f d m a ) 等技术，可以保证 移动终端自动接入公用电话网，扩大了服务范围满足了用户数量增长的需求，很 好地解决了公用移动通信系统所面临的大容量和频谱资源限制的矛盾。2 0 世纪7 0 年代末，美国开始大规模部署a m p s 系统。2 0 世纪8 0 年代中期，日本和欧洲也建立 了自己的蜂窝移动通信网络，主要代表有英国的t a c s 系统，北欧的n m t 系统以及 日本的h c m t s 系统等。这些系统都是采用模拟调制，频分多址技术所以也被称为 第一代移动通信系统。 由于模拟调制存在的各种缺点，2 0 世纪9 0 年代开发出了以数字传输、时分多 址( t i ) m a ) 和窄带码分多址( n c d m a ) 为主体的移动电话系统，称之为第二 代移动通信系统。其代表产品分为两类，第一类是时分多址系列，其中比较成熟 的标准有：欧洲的g s m ，美国的d a m p s 和日本的p d c 。第二类是窄带码分多址 系列，其代表是以高通公司为首研制的n c d m a 。第二代移动通信发展在整个移 动通信发展史上起到了重要作用，在这个阶段中的系统构成方面，与模拟系统无 多大差别。所不同的仅是在射频调制技术、多址方式、话音编码、信道编码和数 字信号处理、控制信道、及保密和确认等六个方面采用了全新的数字技术，因而 使得移动通信性能增强了许多。 第一代和第二代移动通信系统只提供了语音服务，随着社会信息化的进程， 低速率的语音服务已经满足不了人们对无线通信的要求，人们已经追求高速率的 数据传输以及多媒体业务。第三代移动通信系统i m t - 2 0 0 0 在2 0 0 0 年正式投入商 2 网络t u r b o 码的f p g a 实现方案 用，i m t - 2 0 0 0 是一个全球无缝覆盖、全球漫游，包括卫星移动通信、陆地移动通 信和无绳电话等蜂窝移动通信的大系统。它可以向公众提供前两代产品所不能提 供的各种宽带信息业务，如高速数据、慢速图像与电视图像等，传输速率高达 2 m b p s ，带宽可达5 m h z 以上。第三代移动通信i m t - 2 0 0 0 技术标准，是一种真正 的宽频多媒体全球数字移动电话技术。 第三代移动通信系统可以为用户提供各种宽带信息业务，因此必须采用更先 进的技术来提高通信速率，扩大信道容量，改善通信质量。由于无线通信的信号 发送功率受限，多径衰落，频谱资源等特性影响了无线通信的传输速率与质量， 因此有必要设计一种通信方案利用目前能用的资源来满足高速通信的需求，其中 一种方案就是利用中继节点来进行协作通信。下面先介绍中继的三种协作分集模 式。 1 2 中继协作通信 1 9 7 1 年，经典中继模型在文【l 】中被提出，如图1 1 所示。经典中继模型包括源 节点，中继节点，目的节点三个节点。源节点首先把自己的数据编码，然后将编 码后的数据通过广播的形式发送到中继节点和目的节点。中继节点根据接收到的 数据进行译码得到源节点的数据，并将数据进行重新编码，然后转发给目的节点。 目的节点根据接收到的源节点和中继节点的数据进行联合处理，将源节点的数据 译码出来。 图1 1 经典中继模型 协作通信的基本思想可以追溯到c o v e r 和e 1g a m a l 在文圆中对中继信道的信 道容量研究。文中给由一个源节点一个中继节点以及一个目的节点所组成的中继 模型的信道容量。受中继信道的启发s e n d o n a r i s ，e r k i p 和a a z h a n g 首次提出了 协作分集【3 】【4 】的概念。这样就使得无法装备多根天线的移动终端获得分集增益。 协作通信分为两步，第一步是源节点发送数据给中继节点和目的节点，中继 第一章绪论 节点对接收到的信号进行处理，第二步是中继节点给目的节点发送数据，目的节 点根据接收到的数据进行译码。根据中继节点对源节点发送的信号的不同处理方 法，中继协作通信方式可以分为三种。放大转发模式 5 1 1 6 1 ( a f ， a m p l i f y a n d f o r w a r d ) ，译码转发模式【5 】【6 】( ( d f ，d e c o d e a n d f o 刑a r d ) 和编码协作 模式川( c c ，c o d e dc o o p e r a t i o n ) 。下面分别介绍这三种中继协作通信方式。 1 2 1 放大转发模式 放大转发模式是最早采用的一种中继协作模式，如图1 2 所示。在放大转发模 式下，中继节点首先接受源节点的信号，然后简单的放大该信号，最后转发给目 的节点，目的节点根据接收到的源节点和中继节点的信号进行译码，在放大转发 的过程中中继节点不可避免的把信号和噪声一同放大。但是目的节点接收到的信 号是两路经过独立衰落的信号，所以目的节点仍然可以采用合适的方法合并接收 到的信号，做出好的判决，从而提高系统性能。但是如果信道条件比较恶劣，放 大转发模式并不能获得较好的性能。 1 2 2 译码转发模式 图1 2 放大转发模式 译码转发模式如图1 3 所示，其主要思想是中继节点在接收到源节点发送的信 号后，进行解调和译码，然后重新编码调制，最后再发给目的节点。这样做的好 处是解决了放大转发模式中噪声也被放大转发的问题，从而改善了系统的性能。 但是如果源节点与中继之间的信道条件比较恶劣时，中继节点对源节点的译码将 不可避免的出现错误，这时协作分集传输不能达到完全分集，如果再转发给目的 节点，会影响系统的性能。为了解决译码转发模式存在的问题，我们在中继节点 采用循环冗余校验技术( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e e k ，c r c ) 检查译码后的数据帧，如 4 网络t u r b o 码的f p g a 实现方案 果正确就转发给目的节点，如果错误就丢弃数据帧。文【8 1 提出了选择译码转发方案， 当信源与中继间的信道质量较高时，中继节点做译码转发处理；当信源与中继间 的信道质量较差时，中继节点转为非协作模式。译码转发模式由于中继节点要译 码编码，所以相对于放大转发模式而言比较复杂，而且源节点与中继节点信道条 件比较好的时候才能正确译码数据，从而获得良好的分集增益。 1 2 3 编码协作模式 图1 3 译码转发模式 编码协作方式不同于放大转发模式，译码转发模式，是将信道编码技术与协 作技术相结合。如图1 4 所示在编码协作模式下，中继节点对源节点的信息进行解 码，然后根据具体的协作通信策略重新进行信道编码。最后把编码之后的冗余信 息发送给目的节点。s t e f a n o v 在文【9 】中证明了编码协作在慢衰落信道中具有良好的 性能。在源节点的传输速率和发射功率不变的条件下，系统不仅在源节点与中继 节点信道条件良好时能够实现成功译码并获得完全分集，而且在源节点与中继节 点信道条件非常恶劣的情况下仍然能使误码率性能获得显著提高。 图1 4 编码协作模式 第一章绪论 5 1 3 1 网络编码的概念 1 3 基于网络编码的协作通信 1 9 5 6 年，香农在其发表的一篇重要论文“a n o t eo nt h em a x i m u mf l o wt h r o u g h a n e t w o r k 中指出：“通信网络端对端的最大信息流是由网络有向图模型的最小割 决定的 。但是传统的通信网络节点只对接收到的数据进行存储和转发，并不作 任何数据处理，因此传统的观点认为，中间的网络节点对数据的处理并不会带来 任何增益。 2 0 0 0 年，香港中文大学的r w y e u n g 等人在文献【1 0 1 首次将编码的通信方式引 入到网络通信，从信息论的角度出发，证明了网络节点可以对多条输入链路上收 到的信息进行网络编码，然后再转发，目的节点通过相应的译码获得原始信息， 可以达到网络的最大系统容量。这一重大发现打破了网络中中间节点的传统处理 方法，使网络编码成为通信网络中研究的热点。 网络编码的思想彻底改变了传统的数据传输模式，带来了许多的优点，与传 统的路由传输方式相比，网络编码可提高通信网络的数据传输速率，增加网络的 吞吐量和鲁棒性【l l l 【1 2 】【1 3 】【1 4 1 。 1 3 2 基于网络编码的协作通信 为了进一步提高协作通信的分集增益和频谱效率，利用网络编码的协作通信 方案被提出【”l ，其系统模型如图1 5 和图1 6 所示。 图1 5 所示为一个传统的中继系统，每个用户将信号发送给基站和各自的辅助 中继，辅助中继对用户的信号进行适当处理，然后再转发给基站。这种系统的不 足之处在于每个辅助中继只能辅助一个用户进行通信，当用户数目大于辅助中继 数目时只有排队的方式来得到分集增益，且消耗带宽较大。 如图1 6 所示为使用了网络编码协作中继系统，两个用户都将信号发送给基站 和同一个辅助中继，辅助中继将接收到的两个信号进行模2 和网络编码，并将网 络编码后的信号发送到基站。这样既可以节约带宽资源，又可以提高效率；即使 某一个用户到基站的上行链路出现中断，基站仍然能够得到两个用户的信息。如 果节点s 1 传输失败，基站可以通过加y ey 恢复x 。同理，只要x e y 和x 被正确 接收了，也可以恢复y 。 因此，利用网络编码的协作分集可以显著提高频谱利用率，而且容易实现， 不会增加多少复杂度。 6 网络t u r b o 码的f p g a 实现方案 图1 5 传统的分布式天线系统 图1 6 使用网络编码的分布式天线系统 1 4 本文的研究工作及内容安排 本文采用分析与仿真的方法，首先对基于多址接入中继系统模型的网络t u r b o 码的设计方案就行了介绍，然后对其进行了软件仿真以便于硬件实现，最后研究 了硬件实现需要注意的问题，确定了其硬件实现的方案，并对各个模块进行了优 化设计。 本文的具体内容安排如下： 第二章主要介绍了多址接入中继系统模型以及该模型下网络编码技术与信道 编码技术相结合的方案，并给出了本文中的网络t u r b o 码的实现策略和性能仿真。 第三章主要介绍了基于硬件实现下t u r b o 译码算法的选择，仿真以及算法简 化，并且分析了变量的量化问题。 第四章主要介绍了网络t u r b o 码在硬件上各个模块的实现方案。 第五章对全文进行总结，并给出了下一步的研究方向。 第二章多址接入中继下网络t u r b o 码的实现方案 7 第二章多址接入中继下物理层网络t u r b o 码的实现方案 本章首先介绍了由两用户，一个中继，一个基站组成的多址接入中继系统模 型，然后介绍了网络编码与信道编码的联合处理方案，接着给出了本文的网络编 码与信道编码相结合的策略，最后给出了译码性能分析。 2 1 系统模型 多址接入中继信道是一种多个用户，一个中继节点，并且有相同目的节点的 网络拓扑模型。这种信道在现实中应用很多，例如混合无线局域网、广域网、蜂 窝网、传感器以及a dh o c 网络等。 目前研究中继通信采用的比较多的系统模型主要是四终端的多址接入中继信 道模型。四终端多址接入中继信道系统模型如图2 1 所示。图中，两个源节点s l 和s 2 发送信息到一个共同的目的节点d ，并且它们共享一个中继节点r 。源节点 s l 和s 2 向同一个接收端d 发送数据信息的同时，中继节点r 也会接收到所发送 数据信息的副本。那么接收端不仅能接收到用户s 1 和用户s 2 通过直达上行链路 传输的信号，还能接收到由中继节点转发的中继信号，从而通过中继节点实现空 间分集。 s z 图2 1 多址接入中继系统模型 本文就是基于多址接入中继信道模型进行研究以及仿真的，在中继系统中具 有代表性。同时，我们假设两个用户以广播的方式发送数据，即基站和中继节点 都能接收到用户发送的数据。我们所采用的中继节点处理数据的方式为译码转发 模式，即对数据进行解调、译码恢复出原始数据后，在进行编码、调制的处理转 8 网络t u r b o 码的f p g a 实现方案 发出去，并不是简单的进行放大转发的方式。 2 2 网络编码与信道编码的联合设计 在之前的研究当中，最初将网络编码用于中继系统中只是简单来获得分集增 益，后来经过发展大家逐渐意识到中继节点的处理不仅仅可以用来获得分集增益， 还可以传递译码辅助信息，从而可以对抗信道衰落以及噪声的干扰，能够更好的 与信道编译码技术相结合，从而为无线数据的传输提供更高的可靠性。 在多址接入中继信道中，两个移动用户的上行链路在中继的帮助下与基站进 行通信，通过在中继节点采用网络编码不仅可以用来获得分集增益，中继发送的 信息也可以看做是增加的冗余，如果中继到基站的信道条件远比用户到基站的信 道条件好，那么与点对点的通信相比，它可以更好的改善系统性能。在这种情况 下，中继也可用于有噪声的信道。分布式信道编码适用于有效地利用来自移动用 户的直接冗余以及来自中继的附加冗余。当然，多址接入中继信道中的中继发送 的信息中也含有冗余信息。为了有效利用这些冗余，必须将分布式网络编码的概 念一般化到联合网络信道编码中。无线网络中，联合网络一信道编码原则与联合信 源信道编码的原则是相似的，网络编码中的冗余同信源编码产生的冗余一样都能 够给予信道编码更好的差错保护。经过网络编码后的信息，其比特位之间的约束 关系更强，可以有效的抵抗无线信道中的衰落。另一方面，结合信道编码和网络 编码的通信方案，能够大大提高目的节点译码的准确性。下面将详细介绍本文的 网络编码与信道编码相结合的策略。 2 3 网络t u r b o 码方案 在本文的方案中信道编码采用t u r b o 码，从用户到基站的通信过程需要两个 时隙：在第一个时隙，用户通过广播分别向中继以及基站发送数据信息；在第二 个时隙，中继首先接受到用户发送的数据信息，接着对其进行处理，并发送给基 站。当基站接受到用户和中继的信号后，就可以开始联合译码了。下面将详细介 绍各个节点的处理方法。 2 3 1 源节点两个用户的编码方案 在第一个时隙，两个用户分别采用t u r b o 码对两个源节点s l 和s 2 的数据信 息，以分别进行编码，得到长度为n 的编码序列_ - - ( d , ，p s l j ，2 ) 和 而= ( 畋，见：1 ，见：，：) ，并通过正交多址方式向中继节点和目的节点广播。 第二章多址接入中继下网络t u r b o 码的实现方案 9 当两个源节点都采用b p s k 调制时，中继节点接收的信号为： 战j2 ( 2 x l j ) + 以曲，置( 2 - 1 ) 和 y t 2 = ( 2 k j ) + | ( 2 - 2 ) 目的节点即基站接收的信号分别为： ，= ( - j ) + 刀m d ( 2 3 ) 和 y a ，2 = ( 2 x 2 1 ) + ，d ( 2 - 4 ) 置表示源节点s 1 与中继节点r 之间的信道噪声；，晨表示源节点s 2 与中 继节点r 之间的信道噪声；n $ 1r d 表示源节点s 1 与目的节点d 即基站之间的信道 噪声；1 5 z d 表示源节点s 2 与目的节点d 即基站之间的信道噪声。 本文中的t u r b o 码采用l t e 标准规范【1 6 1 中的t u r b o 码来进行设计，其生成多 项式为： g ( 妒( 1 等等) ( 2 - 5 ) 2 3 2 中继节点方案 在第二个时隙，中继节点首先对收到的两路数据进行译码，与以往的译码方式 不同的是，中继节点除了得到两个用户的估计数据u 1u ：外，也将源节点经t u r b o 编码后得到的校验位的估计数据a 。，p l ：，p ：。，p 2 ：获得。这样就可以为接收端提供更 多的冗余信息，从而提高了数据传输的可靠性。并且由于中继节点的信道独立于 用户与基站的信道，因此也能够获得分集增益。 中继节点在译码完成后不再进行编码操作，而是分别将两个用户的信息位与 校验位的估计序列进行异或运算，运算公式如式( 2 6 ) ，( 2 - 7 ) 所示。这样的处理方 法，可以有效地避免因信息位再编码而引起更多的错误情形。 u r = o 屹( 2 6 ) 办= 局fop 2 ，f = 2 p 2 1 , 2 ( 2 7 )办2 局f 出，i =( 2 7 ) 网络编码后我们可以根据信道条件可以选用b p s k 、q p s k 或1 6 q a m 调制， 经调制后，转发至目的节点，整个过程如图2 4 所示： 1 0 网络t u r b o 码的f p g a 实现方案 l 。 嘶 。 t u r b o 译码器 r lo “2 a i p n 材，p r l , p r 2 。l a io 见i r l y s 9 2 。 2 l t u r b o 译码器 r n l0p 2 2 p 2 i 2 3 3 目的节点的译码方案 p 2 2 图2 4 中继节点的方案 目的节点即基站所接收的信号有三路，一路是由中继节点发给基站的y p ，其 余两路是由源节点直接发给基站的l ，y 0 2 ，共耗时两个时隙。本文给出了两种译 码的方法。下面分别介绍这两种译码方法。 译码方法一如图2 5 所示。基站在译码前首先要对网络编码进行解码。步骤如 下：首先，分别计算从两个用户和中继到目的节点的每个接收比特的似然比值， 然后将中继节点的似然比值分别与两个用户而，s ：到目的节点的似然比值进行异 或运算，异或运算的结果作为修正值分别加至两个用户发到目的节点的每个比特 的似然比值上，作为t u r b o 码译码器的输入，然后分别进行t u r b o 译码。其中似然 比值的求解利用如下公式。 三( ，) = ( 4 e o 沙( 2 8 ) 图2 5 译码方案一 译码方法二如图2 6 所示。本方法相对于上一种方法，对k ( ，) 的计算，不只 是简单的乘以信道可靠性因子，而是先在目的节点利用t u r b o 码译码器求出k ( ，) 。 后面的步骤与上一种方法相同。 第二章多址接入中继下网络t u r b o 码的实现方案 1 1 图2 6 译码方案二 2 4 译码方案的性能分析 根据l t e - a 中的t u r b o 码标准规范，我们仿真了上文所设计的上流信道含噪 时联合网络t u r b o 码的性能，其中t u r b o 码的交织器长度为3 1 3 6 。迭代次数为2 0 次。 假设中继到基站的信噪比固定为3 d b ，不同的用户与中继之间的信道条件相 同，用户到中继之间的信噪比为0 5 d b 和l d b 。图2 7 ，图2 8 分别给出了两种方 案的目的节点的译码性能。图2 9 给出了两种译码性能的比较。 图2 7 方案一的译码性能 1 0 0 1 0 1 0 - 2 1 0 。 1 0 5 i 萋| | | | 1 1 0 鼍 妻氐i ! ! ：二： i ：曳 一一一一j ；强! i i = = = = = ：k ! ! ! ! 粥 2 5 s 方案二 t u r b o 单码 _ 一o 5 3 旬5 0o 5 图2 8 方案二的译码性能 两个方案的比较 - i - 一 一一j 一一一一一一一l 一一一一一 三三三三三三三_ - - i - - 三三三三三三三 = = = ：= = ：= c 二= = = = ：= i - - 一- 一 i 一 三兰 三三三三兰三三三：三三兰三三三三三 = = ! ：= = = ：= = = t = = = = = = = 一一j i 一 一一一一一一一一一一i 一一一+ 一一一一 一一一l 一一 f 1 51- 0 50 0 5 s n r 图2 9 两个方案译码性能的比较 分别观察两种方法下的仿真结果图。我们可以看出：当信源到中继间信道达 到一定信噪比时，中继就能发挥的协作通信作用，当信源到中继间信道信噪比逐 渐增加，改善作用逐渐加强，到1 饵左右，再变化时效果接近；方法2 的性能优 于方法1 ，这是以译码的复杂度为条件的。 = = 一一：一一 i i _ ，_ ：一一：= 一一 - 丁1 一j = = 一一 i i = 一一一：ii一一一：=一一一 ：=一一：ii一一 ：=一一一。丁1一j一：=一一一：=一一一= = 一一一i ：一一一 ：=一一 ：=一一一 ：=一一一 j：，一三 ：=一一：=一一一= l i 一一一= = 一一一 = = 一一：= 一一- = = 一一一 工r一上土 = = 一一一= = 一一一 = = 一：=一一， ：=一一一l i 二一一一：一一 cll =一一-一 =一一一=一一一i ：一一-=一一一=一一一 =一一一一 =：二一一f i ：= 一一三=-一一- 一；一，-4 1 o ：一- 一一 一 ：=一一一 三：一一：=一一- ：一一 ：=一一：= 一一上兰：t ：一一一 一 ：= 一一一一 一：=一一一：= 一一一 ii：一-一一 - ：一- 一 三=-一一一一r+r+：l i = 一一一：一-一一一 ：一一一 一：一-一一：=一一一 ：=一-一一 一 ：=一-一一 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本章首先介绍了多址接入中继信道，接着介绍了网络编码与信道编码联合实 现的好处，然后分析了在该模型下源节点的编码方案，中继节点的网络编码方案 以及目的节点的两种译码方案。最后通过计算机仿真得出了两种方法的性能，为 后续章节的译码算法简化做了铺垫。 1 4 网络t u r b o 码的f p g a 实现方案 第三章基于硬件实现的算法简化和量化分析 1 5 第三章基于硬件实现的算法简化和量化分析 本章首先对m a p 译码算法进行了分析，选择了l o g m a p 译码算法来做硬件 实现，接着对l o g - m a p 译码算法做了一下具体分析，从而减少了计算量，方便硬 件实现，然后介绍了适用于硬件实现的滑窗l o g - m a p 译码算法，最后介绍了一下量 化的必要性以及一些基本原理，并分析了接收信息的量化，译码算法中中间变量的 量化，通过计算机仿真最后得出了一种有效的译码量化实现方案。 3 1t u r b o 码的m a p 译码算法 t u r b o 译码器是由两个软输入软输i 出( s i s o ) 的r s c 译码器以及交织器，解交织 器组成的。如图3 1 所示。 校验信息一 图3 1t u r b o 译码器框图 软输入软输出的r s c 译码器1 对第一组分量码进行最佳译码，得到信息序列 u 的每一比特的似然信息，并将其中的外信息经过交织，送给软输入软输出的r s c 译码器2 作为先验信息；译码器2 对第二组分量码进行最佳译码，得到交织后信 息序列的每一比特的似然信息，并将其中的外信息进过解交织送给译码器1 作为 先验信息，进行下一次译码。这样，经过多次迭代译码，两个译码器间相互传递 的外信息趋于稳定，然后对总的似然比进行硬判决，得到信息序列的最佳译码。 这就是t u r b o 码的译码原理。 t u r b o 码的译码算法比较复杂可以分为两种。一种是误比特率最低的m a p 译 码算法【1 9 j 【2 0 1 ，另一种是误码率最低的s o v a 译码算法。下面我们主要分析一下 1 6 网络t u r b o 码的f p g a 实现方案 m a p 译码算法及其简化算法。 3 1 1m a p 译码算法 m a p 算法即最大后验概率译码算法，如图3 2 所示的软输入软输出( s i s o ) 译码器，它能为每一个待译码比特提供相对应的对数似然比输出。 l e ( u 七) r 以 l ( u 七) - m a p 译码器 y 毫 图3 2 软输入软输出译码器 地灿端 在b p s k 调制下u k + 1 ，1 ) ，所以信息比特的后验概率对数似然比为 ( 3 - 1 ) m i ) - i 。g 辎 ( 3 2 ) 为了通过接收序列y 来计算出比特的后验概率对数似然比，我们重写上式为 p ( 一。= s ，& = s ，y ) 1 ( ) 刮。g 参面i 再习 ，( 3 - 3 ) 简单写为 p ( s ，s ，y ) ( ) 。1 。g 锄( 3 - 4 ) 其中u + 表示对编码时，t r e l l i s 图从状态，转到状态s 的所有状态对 ( s k 一- - s ，s k - s ) 的集合。根据贝叶斯法则可知 第三章基于硬件实现的算法简化和量化分析 1 7 所以 p ( s ，s ，j ，) = p ( ，s ，y ? - l , y k ，藏。) = p ( s 7 ，计d ) p ( s ，儿is ) p ( 珐。is ) ( 3 - 5 ) = a ( s ) “( s t , s ) 反( s ) 口( s ) y 。s ，s ) 反( s ) ( ) 。1 。g 妻磊面万而丽( 3 - 6 ) 其中a ( j ) 定义为前向状态度量；成( j ) 定义为后向状态度量；n ( s ，s ) 定义为状 态s 与状态s 之间的分支转移度量。下面将根据贝叶斯法则，无记忆信道的特点以 及联合概率的性质去推导前向状态度量，后向状态度量和分支转移度量的计算公 式。 a i ( s ) = 尸( s ，薪) = p ( s ，并- l , y 七) = 尸( s ，s ，并- 1 , y ) - - z 尸( s ，y 。 k 并一) ) p ( s ，式1 ) ( 3 - 7 ) - - z 尸( s ，y s ) p ( s 。，计。1 ) - - z “( s ，s ) a ( s ) 由于分量编码器的初始状态为零状态，所以前向状态度量的初始值为：当s = o 的时候，( s ) = 1 ，当s 不等于0 时，口。( j ) = 0 。为了防止前向状态度量计算中出 现溢出，我们需要对前向状态度量的值进行归一化处理。 o l k ( s ) = 口t ( s ) 口t ( s )( 3 8 ) 成一i ( s ) = 尸( s ) = p ( 钟，s s 。) 2 ；p ( 藏t 傩 儿 ) p ( ) s )( 3 9 ) = p ( 以。s ) p ( y k ，s ls ) - z l ( s ) y k ( s ，s ) 由于分量编码器的初始状态为零状态，所以后向状态度量的初始化值为当s = o 1 8 网络t u r b o 码的f p g a 实现方案 的时候风( s ) = l ，当s 不等于0 的时候1 3 ( s ) = 0 。后向状态度量与前向状态度量 一样为了防止溢出也需要归一化处理。 1 3 , ( s ) = 3 a s ) l ( s ) ( 3 1 0 ) 从前向状态度量，后向状态度量的推导公式可以看出，前向状态度量，后向 状态度量，对数似然比( ) 都离不开分支转移度量，下面将详细介绍一下分支转 移度量的推导