（通信与信息系统专业论文）码合并技术及turboarq技术研究.pdf

西南交通大学硕士学位论文第1 页 摘要 h a r q 技术由于结合了f e c 高效性和a r q 技术高可靠性而得到广泛研究。 近年来，由于t u r b o 码优异的纠错性能，和其信息传递( 迭代) 译码方式的广 泛应用，将t u r b o 码引入到h a r q 系统将可以显著的减少重传次数，提高系统 吞吐率，基于t u r b o 编码的前向纠错编码方案成为了h a r q 的理想选择，在 h a r q 中，为了充分利用重传信息，而非简单的丢弃，码合并技术必不可少。 本文正是对采用t u r b o 编译码的h a r q 技术进行研究，鉴于t u r b o 所特有的迭 代译码机制，研究具有优异性能的码合并技术，以及如何更好地把重传机制与 t u r b o 迭代译码机制有机地结合起来，提升系统性能进行了研究和仿真。 本文首先介绍了两类t u r b o 码并行译码算法与实现技术，并对采用不同方 案的系统进行了仿真，由仿真结果可知：分块归零并行译码方案对于传统均分 并行译码方案，前者可以有效的改善分块效应。 论文的研究重点之一就是h a r q 系统中码合并技术方案的研究和设计。对 新颖的基于迭代译码的迭代合并方案进行了深入研究，指出了各个参数对合并 性能的影响，并对其进行了优化，将其与传统的码合并技术相结合，借助将a r q 与f e c 有机结合形成h a r q 一样的道理，重点研究了两种改进的混合合并方 案，研究表明，混合合并方案可以显著的减少迭代译码次数，提高系统性能， 同时对基于混合合并技术的i 类和类札久l 进行了性能比较，比较了相同码 字错误率条件下的信噪比增益，比较结果显示，在初始码率较低的情况时，i 类可取得与类相同的性能。 此外，在迭代合并研究基础上，基于对迭代思想的拓展，把迭代思想运用 到重传策略中，结合混合码合并技术，提出了一种新的t u r b o 码h a r q 系统， 不同次数重传对应不同个数s i s o 译码器，仿真结果显示提出的方案可以作为 r c p t 码的有效补充；同时，将分块t u r b o 并行译码方案引入到t c h a r q 系 统中来，结合分包并行重传策略，提出一种基于并行译码思想的分包重传 t c - h a r q 系统，仿真结果表明新系统可以显著的改善吞吐率，不仅如此，针 对新系统，本文提出了一种新的数据传输方案，甚至可以避免重传，以吞吐率 的适当降低来换取系统复杂度的成倍下降。 关键词：h a r q st u r b o 码；码合并；分组合并 西南交通大学硕士学位论文第| l 页 a b s t r a c t f e cm a i n t a i n sas t e a d ye f f i c i e n c yw h i l ea r qa s s u r e sh i ：曲r e l i a b i l i t yf o r t r a n s m i s s i o n a st u r b oc o d eh a sa l le r r o rc o r r e c t h l gp e r f o r m a n c ec l o s et os h a n n o n t h e o r yl i m i ta n di t si t e r a t i v ed e c o d i n gs c h e m e ，t u r b oc o d eh y b r i da r q ( t c h 删 i sa l li m p o r t a n ts t r a t e g yi nh i g hd a t ar a t ec o m m u n i c a t i o n s i nr a r qs y s t e m , w i t h o u tc o m b i n i n gp r e v i o u sp a c k e t s , i ft h ee n t i r ee t r o r l e o u sp a c k e ti sd i s c a r d e da n d a l lt h eh o p e i s p l a c e do nt h er e t r a m m i s s i o n , t h et h r o u g h p u t p e r f o r m a n c ew i l l d e c r e a s ed r a m a t i c a l l y i nt h i st h e s i s ，w em a i n l ys t u d y0 1 1t h et c r a r q t h e c o m b i n i n gt e c h n i q u eb a s e do nt h ei t e r a t i v ed e c o d i n gs c h e m ei st h o r o u g h l ys t u d i e d ； a l s o ，w ec o m b i n et h er e t r a n s m i s s i o ns t r a t a g e ma n dt h ei t e r a t i v ed e c o d i n gs c h e m et o d e v e l o pb e t t e rt c - h a r qs t r a t a g e t w o t y p e so fp a r a l l e ld e c o d i n gs c h e m ea l ei n t r o d u c e df t r s t 堍a n dw es i m u l a t e t h es y s t e m sa d o p t i n gd i f f e r e n ts c h e m e sr e s p e c t i v e l y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a t t h ep e r f o r m a n c eo ft h e p a r a l l e ld e c o d i n g s c h e m eb a s e do ns u b - b l o c kt r i l l i s t e r m i n a t e dt oz e r oi sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a lp a r a l l e ld e c o d i n gs c h e m e t h ef o r m e r c o u l di m p r o v et h e s u b - b l o c ka f f e c t n e x t ，w er e s e a r c ho ht h ec o d ec o m b i n i n gt e c h n i q u e s ，m a i n l yf o c u so i lt h e i t e r a t i v ec o m b i n i n gt e c l m i q u e ( i c ) t h ep e r f o r m a n c e so ft h ek e yp a r a m e t e r so f i t e r a t i v ec o m b i n i n ga r ee v a l u a t e d f u r t h e r m o r e , l i k et h eh a r qc o m b i n ef e ca n d a r q t og e tb e t t e rp e r f o r m a n c e ，w eu t i l i z et h ea d v a n t a g eo f i ca n dc h a s ec o m b i n i n g t e c h n i q u et od e v e l o pt w oh y b r i dc o m b i n i n gt e c h n i q u e s ，t h et h e s i ss h o w st h a tt h e 一一一h y b r i d c o m b i m n gt e c h r t i q u c c o u l d i m p r o v e + p 盯f q 功卿口且一t 汹一o f ，m e c o n v e r g e n c es p e e dw i t hn e g l i g i b l ea d d i t i o n a ld e c o d e rc o m p l e x i t y f u r t h m o r e ，t h e p e r f o r m a n c ei nt e r m so fs n rg a i no ft p y e ia n dt y p r - hr t a r qi sc o m p a r e d , t h e r e s u l ts h o w st h a tt p y e - ih a st h ec o m p a r a b l ep e r f o r m a n c ew i 也t p y e - 1 i b e s i d e s ，g e t t i n gt h ei d e af r o mt h ei t e r a t i v ec o m b i n i n g ，w ep r o p o s ean e w t c - h a r qs t r a t a g eb a s e do nt h ei t e r a t i v es c h e m et h a td i f f e r e n tt r a n s m i s s i o nu s e d i f f e r e n tn u m b e ro fs i s od e c o d e r s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h en e wt c h a r qh a s g o o db e rp e r f o r m a n c ea n ds u i tt ob ea st h ec o m p l e m e n t a r i t yo fr c p t f o l l o w l y ； t h et h e s i si n t r o d u c e st h ep a r a l l e ld e c o d i n gs c h e m et ot h et c - h a r q ，j o i n e d 、7 l r i lt h e s e g m e n t - b l o c kr e l r a n s m i s s i o ns c h e m e ，w ep r o p o s em o t h e rn e ws e g m e n t - b l o c k 西南交通大学硕士学位论文第l li 页 r e t r a n s m i s s i o nt c - h a r qb a s e do np a r a l l e ld e c o d i n gs t r a t a g e m s i m u l a t o na l s o s h o w st h a tas i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n ti nt h r o u g h p u te f f i c i e n c yc o m p a r e dw i mt h e t y p e i 轧讯qi so b t a i n e d k e y w o i d s ：h a r q ，t u r b oc o d e , c o d ec o m b i n i n g , p a c k e tc b l 曲i h i n g 西南交通大学曲南父遗大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在5 年解密后适用本授权书； 2 不保密口，适用本授权书。 学位论文作者签名：办君 日期：夕年4 月 2 - e l 指导教师签名：畦永k 日期：凇苫年月上曰 学位论文作者签名：，1 是 日期：为一g 一斗一厶 指导教师签名：艰靛基 日期：2 础一4 一z 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 它个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个 人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 学位论文作者签名： 方屠 日期：唱 年厶月2 - 日 西南交通大学硕士学位论文第l 页 第1 章绪论 克服地域、时空障碍，使人们享受无差别的通信服务是通信的基本任务。 而准确、及时地传递或交换信息需要寻求可靠而高效的差错控制技术。 1 1s h a n n o n 定理 一个完整的数字通信系统由信源、信源编码器、信道编码器、数字调制器、 信道、数字解调器、信道译码器、信源译码器和信宿构成【1 】，如图1 1 所示。 图l - 1 数罕通信系统框图 从信源编码器出来的信息序列被送入信道编码器，目的在于以可控的方式 引入一些冗余，这样在接收端，信道译码器就可以利用这些冗余信息在一定程 度上纠正错误，克服信道中噪声和干扰的影响，提高系统的可靠性。 信道编码的纠错能力是通过增加冗余信息实现的，编码中的冗余量可用比 值n k 衡量，该比值的倒数友= k n 称为编码效率，其中k 为输入比特数，r t 为 一输出比特数，s _ h a n s o n 信道编码定理2 】指出；对于_ 个给定的有扰信邋一羞信 道容量为c ，信道中信息传输率为定，如果r c ， 必定不存在有这种编码方法，当趋于无限大时，差错概率将接近1 。因此， 信道容量是一个界限，在此界限之内，几乎可以无错误地传输信息，反之则是 不可能做到无错误地传输。 s h a n n o n 理论证明，随机码是好码，但是它的译码却太复杂。因此，多少 年来随机编码理论一直是作为分析与证明编码定理的主要方法，而如何在构造 码上发挥作用却并未引起人们的足够重视。直到1 9 9 3 年，t u r b o 码【3 】的发现才 西南交通大学硕士学位论文第2 页 较好地解决了这一问题，为s h a n n o n 随机码理论的应用研究奠定了基础。 1 2t u r b o 鸸及其在h a r q 系统中的应用 自1 9 9 3 年被发现以来，因其超乎寻常的纠错性能，t u r b o 码的研究一直成 为信道编码领域最激动人心的研究领域，特别是t u r b o 码的译码思想有力地推 动了l d p c 码在g a l l a g c r 提出多年后再次被发现。由于其优异的纠错性能，t u r b o 码很适于在通信环境通常较为恶劣的无线分组数据通信系统。 t u r b o 码，又称并行级联卷积码( p c c c ) 【4 】，是由c b c r r o u 等在i c c 9 3 会 议上提出的。它巧妙地将卷积编码和随机交织结合在一起，实现了随机编码的 思想，同时，采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码，达到了逼近s h a n n o n 限的性能。 t u r b o 码优异性能的取得，是与其迭代译码中的最大后验概率m a p 译码算 法是分不开的。其独特的编译码结构也给系统带来了诸如译码运算复杂、译码 时延较长和存储量大等问题。一般的，瓜l d b o 码的性能随信息序列长度的增加 而提高，但随着编码长度的增加，t u r b o 迭代译码时延也相应增加。因此如何 在保持t u r b o 码性能的同时，设法降低迭代译码时延，成为了t t t r b o 码研究的 一个重要内容。 针对迭代中使用的软入软出s i s o 解码算法，为减小计算复杂度和时延， 人们提出了许多方法进行改进【5 6 7 8 , 9 1 。r o b c r t s o n 5 把m a p 算法置于对数域中 进行计算形成l o g - m a p 算法。在标准维特l 七( v i t e r b i ) 算法的基础上改进的软输 出维特比算法( ( s a v a ) 【6 】用于t u r b o 码的解码时，相比b c 瓜算法虽然性能有 下降，但整体的复杂度大大降低，同时改善了解码的连续性。s b c n c d c t t o 7 】 提出了所谓的滑动窗b c j r 算法( s l i d i n gw i n d o wb c m ) 。 在文献【l o 】中，h s u 等人率先提出了基于分块译码处理的t u r b o 码并行译码 研究思路，但其只对译码端进行了分块处理，u d 硒g u p t a 和k r n a r a y a n a n 1l 】 把t b c j r 算法应用到并行译码结构中来进一步降低时延，j a e y o u n gk w a k 和 k w y r o l e e 1 2 考虑了分块交织的并行策略，k ew a n 等 1 3 】结合t u r b o 编码端考 虑，提出一种改进的基于编码归零的并行译码策略。一般来讲，在v l s i 中对 t u r b o 码进行高速译码，并行译码策略是必不可少的【1 2 ，1 4 ，1 5 1 。分块并行译码由于 能显著地降低译码时延，理论上讲，可以把译码时延降低为o ( n 聊，其中矿 为分割的子帧长度，成为了降低t u r b o 码时延的一个重要策略。 西南交通大学硕士学位论文第3 页 由于t u r b o 码超强的纠错能力，在h a r q 系统中采用t u r b o 码作为前向纠 错方案( t c h a r q ，t u r b oc o d c d - h a r q ) 可以有效地较少a r q 重传次数，从而 提高h 敞q 系统的吞吐犁1 6 】。对t c - h a g q 的研究始于1 9 9 7 年，k r n a r a y a n a n 和s t u b c r 1 7 首次将t u r b o 码运用到b a r q 系统中，同时在其论文中首次提出 一种利用t u r b o 码l l r ( l o gl i k e l i h o o dr a t i o ) 的迭代合并技术。h a r n o r s k y ， h a m o r s k y ，h a n z o 等对t c - h a r q 做了大量的研究分析【1 8 , 1 9 , 2 0 。h a m o r s k y 的主 要贡献在于结合l i 类t u r b oa r q 系统，对其可靠性能作了大量的研究。由于 t u r b o 译码的信息融合能力非常强，所以演化出多种多样的t c h a r q 方案。 w o ot a ek i m 【2 1 研究了t c - h a r q 中的t u r b o 编码器结构，比较了三种典型 的t u r b o 编码器性能，其研究结果表明：当采用3 个递归系统卷积r s c 成分编 码器时，其整体性能( b e r 和复杂度) 要优于采用2 个或4 个r s c 成分编码 器的情况，这是由于随着交织模式的增加，r s c 成分编码器之间的独立性减弱。 2 0 0 0 年，r o w i t c h 和m i l s t e i n 【2 2 进一步研究了速率匹配穿孔t u r b o ( r c p t ) 码的 不同穿孔模式及其性能，给出了对于给定s n r 最大化系统吞吐率的最佳的穿孔 模式。由于r c p r 码具有较好的效率和可靠性，许多文献中均将其应用于增加 冗余( 珏q 型的h a r q 系统中【2 3 矧。t a os h i 和l e ic a o 2 5 结合接收数据包的错误 位置和分布提出分割选择重传。为提高系统的吞吐率，n g u o 等人【2 6 】提出了 分包( s u b - p a c k e t ) 并行重传策略，接着，y q z h o u 和，w a n g 2 7 针对不同的信 道条件分析了最优的分包方案。 1 3h a r q 技术友其应用 数据通信最初是从有线网络发展起来的，它通常需要较大的带宽消费和较 高的传输可靠性。对于有线连接，由于信道条件较好，数据传输较少出错，这 时数据传输的可靠性可以通过重传技术，即自动请求重传a r q ( a u t o m a t i c r e p e a t - r e q u e s t ) 技术来保证，以吞吐率为代价来换取可靠性的提高。a r q 顾名 思义，在接收端收到数据包后首先检验该数据包，再进行判断：如果正确接收， 则向发送端反馈一个成功应答a c k ( a c k n o w l e d g e m e n t ) ，发送端收到a c k 后可 继续发送下一个数据包信号；如果不能正确接收，则向发送端反馈一个失败应 答n a c k ( n e g a t i v ea c k ) ，发送端收到n a c k 后重传数据包。上述过程可以一 西南交通大学硕士学位论文第4 页 直继续下去，直到发送端收到a c k 信号为止。与自动请求重传a r q 技术所不 同的是，前向差错控制f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 技术通过纠正最常出现的 一些错误图样来尽可能地保障数据的可靠传输。两者结合，优势互补，用f e c 解决最常遇见的错误，用a r q 重传解决f e c 无法纠正的错误，这就是混合自 动请求重传h a r q ( h y b r i da r q ) 技术的基本思想。 h a r q 最早由j m w o z e n c r a f t 和m h o r s t e i n 于1 9 6 1 年提出【2 8 , 2 9 。2 0 世纪 8 0 年代和9 0 年代出现了研究r a g q 的热潮。s l i n 教授等提出了针对卫星通 信的r a r q _ 【3 0 l 。s k a l t e l 、l k r a s m u s s e n 、m d r i c e 、s b w i c k e r 等人也发表 了多篇h a r q 方面的文章。c h r i s t o p h e rl o t t ，d j c o s t e l l o 也对h a r q 技术的 理论，现状和将来发展做了分析 3 1 , 3 2 1 。 对于t c - h a r q 系统的研究，已有的研究主要集中在以下两个问题【2 5 】： ( 1 ) 重传策略( r e t r a n s m i s s i o ns t r a t e g i e s ) ：发送端在出错时如何发送数据， 以提供更强的纠错性能，同时不提高编译码器的复杂度； ( 2 ) 合并技术( c o m b i n i n gt e c h n i q u e s ) ：接收端如何结合重传数据，来达到 充分利用重传引入的时间分集，同时尽可能地降低译码复杂度。 由于r a g q 所特有的出错重传，为充分利用这些重传信息，而非简单的丢 弃，码合并技术必不可少【3 3 ，3 够5 问。通常用于衡量8 a r q 系统性能的两个指标 是：可靠性( r e l i a b i l i t y ) 和吞吐率( t h r o u g h p u t ) 。吞吐率即在发射端发送单个数据 包的时间间隔内接收端接收到的数据包的平均个数。为了能够在系统的性能和 复杂程度、实现代价间求得一个折衷，一个很重要的问题是分析r a r q 系统性 能，特别是搞清楚码合并对r a r q 性能的影响。因为，毕竟无论r a r q 在发 送端采用什么方式来适应信道韵变化，! 刚侵到底都离不开接收端对应的合并与 译码处理。甚至，如果单纯从系统可靠性来将，码合并技术所带来的合并增益 大小直接决定了整个系统所采取的重传策略。 1 9 8 5 年，d c h a s e 3 7 首次从信息论的基本定理出发，概括地阐述了码组合 技术在混合a r q 系统中的应用。一般来讲，c h a s e 合并需要对每次重传信道进 行估计，要求重传数据包格式与初始传送格式相同或者是其中的一部分，所以 c h a s e 合并常常是对应l 类h a r q 运用的。为了简化码合并处理，1 9 9 1 年，s b w i c k e r 3 8 提出了一种基于大数准则译码的分集合并方案，但由于这种基于硬 判决的大数准则分集码合并性能有限，因此实际分集合并更多的是对多个接收 西南交通大学硕士学位论文第5 责 信号执行相关合并处理后，再送纠错译码处理【3 9 舯，4 1 1 。在类和类h a r q 中， 由于系统采用了i r ( i n c r e a s e dr e d u n d a n c y ) 重传策略，重传码字间以及重传码 字与首次传送码字格式不尽相同，这时接收端对应需要采用更复杂的码合并技 术，c h a s e - - 般性地提出了通过冗余合并方法来合并任意有扰重传分组的方法 【3 7 】 o t u r b o 码出现后，受t u r b o 码迭代译码思想的影响和启发，k & n a r a y a n a n 首次创造性地将t u r b o 迭代思想运用了码合并策略中来形成了迭代合并 ( i t e r a t i v ec o m b i n i n g ) 策略【l7 1 ，g u i l l a u m ev i v i e r 和f c h i f i 等对迭代合并策略进 行了进一步的分析【4 2 ，4 3 1 ，j u n g - f u ( t h o m a s ) c h e n g 分析t i p 合并与c h a s e 合并方案 的合并增益问题脚】，e u h l e m a n n 4 5 ，4 6 】提出了将迭代合并和c h a s e 合并相结合的 混合合并方案。 1 4 论文研究工作思路和主要贡献 混合自动回询重传h a r q 作为保障无线通信系统中可靠分组数据通信的 基本技术，能有效纠正和恢复在干扰背景和恶劣环境下分组数据传输错误，并 为w c d m a 、e d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 等第三代移动通信系统广泛采用。 由于h a r q 所特有的出错重传，为充分利用这些重传信息，码合并的研究 引起了人们广泛的重视。一般来讲，合理的码合并能有效减少h a r q 的重传次 数，改善传输效率。从本质上来看，码合并技术是h a r q 中的一种时间分集技 术。h a r q 出错重传的码字格式将决定接收端所能采用的码合并方式。一般来 说，分集合并与冗余合并是两类最基本的码合并技术。分集合并是一种在比特 符号层次上的合并方法，而冗余合并方案则是一种在码字层次上的合并方案。 在前。种合并方案中，多个有扰接收码字将逐位进行合并，合并后码字码率与 合并前码字码率相同；后一种合并方案中，几个出错接收码字将通过级联或交 织等方式生成一个新的合并编码分组，且合并后码字码率比合并前码字码率低。 近年来，由于t u r b o 码优异的纠错性能，和其信息传递( 迭代) 译码方式的广 泛应用，基于t u r b o 编码的前向纠错编码方案成为了砘蟠迥的理想选择，本文 的主要研究对象正是采用t u r b o 编译码的r l a r q 技术，鉴于t u r b o 所特有的迭 代译码机制，如何更好地把重传机制与t u r b o 迭代译码机制有机地结合起来， 提升系统性能，这是论文的主要研究动机和意义所在。 分析和归纳现有的码合并技术，我们可以看到，尽管现有的码合并合并类 西南交通大学硕士学位论文第6 页 型多，研究成果较多，但针对t u r b o 所特有的迭代译码机制，把重传机制与迭 代译码机制有机结合的研究较少。本论文工作内容之一正是一种新型的迭代合 并技术( i c ：i t e r a t i v ec o m b i n i n g ) ，论文在迭代合并技术研究的基础上，还提出了 一种基于迭代思想的t c h a r q 重传策略。 此外，论文受t u r b o 并行译码策略以及分包( s u b - p a c k e t ) 重传思想的启发， 结合码合并研究，将t u r b o 并行译码方案引入到分包重传的t c - h a r q 系统中， 提出了一种新的基于并行译码思想的并行分包重传t c h a r q 系统，研究表明， 新策略能显著提高系统性能。 1 5 论文的篇章结构 本文第二章简要介绍了t u r b o 码原理和h a r q 技术，以及已有的各类典型 码合并技术的原理，为后续工作铺平道路。然后着重分析了两种并行t u r b o 译 码方案的原理以及结构，为下文分析t c h a r q 做准备。 本文第三章对迭代合并方案进行了深入研究，分析了各个参数对迭代合并 性能的影响，同时提出了改进方案，将其与传统的码合并技术相结合，借助将 a r q 与f e c 有机结合形成h a r q 一样的道理，形成新型的混合码合并方案， 仿真结果表明提出的混合码合并方案对t u r b o 码收敛性能有显著的改善，进一 步降低了译码时延，最后本章对基于混合合并方案的i 类和类嘲进行了 性能比较。 本文第四章讨论了t u r b o a r q 混合机制，从思想、原理到实现方法作了详 尽的论述，提出了一种基于迭代思想的t c - h a r q 重传策略，论文受t u r b o 并 行译码策略以及分包( s u b - p a c k e t ) 重传思想的启发，结合混合码合并方案，将 t u r b o 并行译码方案引入到传统的t c h a r q 系统中，提出了一种新的基于并 行译码思想的并行分包重传t c i - i a r q 系统，只重传出错的分包，显著得提高 了系统的吞吐率性能。 本文第五章对全文工作进行总结，并论文下一步研究工作进行了展望。 西南交通大学硕士学位论文第7 页 第2 章t u r b o a r q 技术基础 本章首先介绍了t u r b o 码技术原理，接着，介绍了h a r q 技术和码合并技 术的基础知识，为后续工作铺平道路。对两种有效降低t u r b o 码译码延迟的传 统分块并行译码技术和改进的能有效降低分块效应的编码分块归零并行迭代译 码技术进行了详细介绍。 2 1t u r b o 码技术介绍 1 9 9 3 年，b e r r o u 首次提出t u r b o 码【3 1 ，其在大信息帧长( 6 5 5 3 6 ) 逼近s h a n n o n 限的性能立即掀起一股研究热潮，它的出现被看作是信道编码理论发展史上的 一个里程碑，它采用并行级联的方法实现编码，软输入软输出( s i s o ：s o f fi n p u t s o f to u t p u t ) 的迭代译码方法进行译码【3 ，4 期。 2 1 1t u r b o 编译码结构 t u r b o 码实际上是一种并行级联卷积码( p a r a l l e lc o n c a t e n a t e dc o n v o l u t i o n a l c o d e s ：p c c c ) 【饥。一个分量r s c 生成多项式y 寸( g l ，9 2 ) = ( 1 3 ，1 5 ) t a l 的t u r b o 编码器 结构见图1 1 。 图1 - 1t u r b o 码编码器结构框图( 红虚线仅用于网格图终止归零) t u r b o 码编码器由两个递归系统卷积码( r e c u r s i o ns y s t e mc o n v o l u f i o n a l c o d e ：r s c ) 编码器通过一个交织器并行连接而成，编码后的校验位再经过删余 阵【4 7 】，从而产生不同码率的码字。图1 1 中，长度为( 交织器长度) 的信息 西南交通大学硕士学位论文第8 页 序列材= 讹，屹， 通过一个交织长度为的交织器得到一个新序列 l l i = ”：， ：，搿：r ) ( 长度与内容没变，只是比特位置经过重新排列) 。甜和“。分 别传送到两个相同结构的分量码编码器( r s c l 与r s c 2 ) ，生成校验序列，p 与 x 2 p 。x l p ，工2 尹与未编码序列x s 经过复用调制后，生成了t u r b o 编码序列x 。 可以采用删余( p t m c t t t r i n g ) 技术从这两个校验序列中周期地删除一些校验位来 提高码率。 。 t u r b o 码获得优异性能的根本原因之一是采用了迭代译码，通过分量译码 器之间的软信息的交换来提高译码性能。典型的t u r b o 码译码器的基本结构如 图2 2 所示。 图2 - 2t u r b o 码译码器结构框图 在每次迭代过程中，第一个分量译码器d e c l 接收三类数据： 1 ) 通过信道传来的受扰分组数据一帧的信息比特鲜 笱一通过信道健来的受扰分组数据= 帧的由箍：编码器输出的校验比特j ? 3 ) 通过第二译码器输出的先验比特信息琶 第一个s i s o 分量译码器的目的就是要计算出外信息葺：，第二个s i s o 分量译 码器的原理和第一个s i s o 分量译码器相同。 t u r b o 译码端最重要的是s i s o 译码算法。根据最大后验概率m a p 译码准 则，t u r b o 译码器的最佳译码策略是根据接收序列儿计算后验概率( a p p ) p ( u t ) = p ( u iiy k ) = p ( u tiy 1 ，y 2 ) 。在t u r b o 码译码中，巧妙地采用了一种次优译 码规则，将y 1 和) ，2 分开考虑，由两个分量码译码器分别计算后验概率 p ( u ti y l ，骂。) 和p ( u tl y 2 ，鬈：) ，然后通过d e c l 和d e c 2 之间的多次迭代，使 西南交通大学硕士学位论文第9 责 它们收敛于m a p 译码的p ( u iiy l ，y 2 ) ，从而达到逼近s h a n n o n 限的性能。这里， 鹭。和玩为外信息，其中骂。由d e c 2 提供，在d e c l 中用作先验信息，西：由 d e c l 提供，在d e c 2 中用作先验信息。这样，经过多次迭代，d e c l 或d e c 2 的外信息趋于稳定，似然比渐进值逼近于对整个码的最大似然译码，然后对此 似然比进行硬判决，即可得到信息序列甜的最佳估值u 。 关于p ( u ii y l ，鹭。) 和p ( u il y 2 ，z ；：) 的不同求解方法构成了t u r b o 码的不同 译码算法【5 ，6 ，4 8 1 。接下来简单介绍l o g - m a p 算法 4 9 - 5 1 1 。 如果设t u r b o 编码调制输出码字为c = 【q ，乌，岛，& ，】= 如，a ，吃，p 2 ，。，a 】，接收 端从a w g n 信道接收到的码字软判决信息序列为y = c + n ，其形式为： y = 【咒，儿，儿，1 = f 片，吖，虻，蟛，残，醒】，纷和y 形式一样。m a p 算法的目的 就是计算接收符号的后验概率： = l o g ( l 他p ( u - 叫+ 1 ly ) ) = 1 0 9 ( 揣) ( 2 - 1 ) 如果l ( u 。) 0 判为l ，反之则判为一l 。 对于r s c 码，它的状态转移和时间的关系可以形象的用网格图来表示，对于生 成多项式为( 7 ，5 ) o c t a l 的情况如图2 4 所示。 ，。 ，h? _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ - - - - l - _ - + a “0 ) - a h ( 0 ) ( 0 ，0 ) + a 1 ( 1 ) 五( 吼0 ) a ( o ) - j k ( 0 ) ，h ( 0 a ) + 凡( 2 ) ，“( 0 ，萄 图2 - 3r s c 码网格图 图2 - 4 吼( o ) 、厦( 0 ) 递推示意图 分支上的数据分别表示k 时刻r s c 编码器的输入和输出。所有的转移分支之间 是互斥的，如果前一状态& 一。和当前状s k 已知，则也完全可以知道。因此， 畋= 1 的概率等于输入比特叱= l 时所引起的前一状态& 一。到当前状态& 的转 西南交通大学硕士学位论文第1 0 页 移概率。则，可以把( 心) 改写为： 地) = l o g 譬s k - i = 篙$ $ k - - - - $ h 以 i 参再而l 幽叫 艺一，( s 9 r a s , s ) 展( s ) ( s 9 r a s , s ) 葡茹 = 哦宰( 屯( s + 以( s ：s ) + 仗( s ) ) 二哑事( 屯( s i ) + 璁( s ：s ) + 皮( s ) ) ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中，u 表示a l l ( s ，s ) j = l 。这里： 懈木( 五少) = 1 0 9 ( 矿+ 矿) 乩g 隅 + t o g ( 1 + e - v - ) = 姗如脚+ 1 0 9 ( i + ) i l l a x 奎似y ，z ) = m a x 宰m a x o ，y ) ，z ) 其中，t g t k ( $ ) ，、o ) ，y k ( s ，s ) 的计算如下( 七= l ，2 ，) ( 2 - 3 ) ( 2 q 口、 = 地溆鳓= 蝇 即f 口o + y 、o ：叫l = 甲扛g + ，、g t ，劝( 2 - s ) 。 ， 、 夕k ( s 9 = 崦( j b q 力= 叫乏二e 印【以协+ y 、q 朔j - n 掣( 声i 铆+ y 乙：妨 ( 2 6 ) y 、o t ，s ) = l o g ( 儿妇，s ) ) = 1 0 9 ( p ( ) p ( 欺lu 。) ) ( 2 - 7 ) 上式，( 1 ) 对应合法的骞一s 状态转移，以为对应受扰接收信息。只有 y 。o ：s ) 与信道状态有关，计算口。o ) ( 夕h o ) 时，只需要计算各条路径上 的分支度量，乙o s ) 并与对应的前一状态值口。一o ( 后一状态值、q ) ) 相加 得取最大者，再加一个修正算子五( 并) = l o g ( 1 + e - 陶) 即为当前状态值口。o ) ( 卢纠0 ) 对于a w g n - 挝，三( 吒) 可最终改写为5 2 】： l ( u 七) = 2 y ；o - 2 + z 。) + 嘴( h o - ) + 鼽w 拶2 + 。o ) ) ” 一鼍警( 。q o ) + a 睇盯2 + 。o ) ) ( 2 - s ) l ( u 上) 简写成： ， 三0 。) = 丘辨+ 骂，( ) + 砭 。)( 2 9 ) 西南交通大学硕士学位论文第1 1 页 其中，t = 4 口参被定义为信道可信度量值( c h 黝e lr e l i a b i l i t yv a l u e ) ，这是一 个仅依赖于s n r 和信道衰落幅度a 的量，对于高斯信道a = l ，e 为发送比特 能量，修2 为噪声方差。信道的软输出( 以lq ) 可以简单地理解为儿和信道度量 值丘相乘而得到。t 蝶，t 蟛分别作为系统信息和校验信息输入到s i s o 译码器。 2 1 2 传统分块并行译码方案 基于m a p 算法的s i s o 分量译码器的译码流程如图2 - 5 。 图2 - 5 基于m a p 算法的s i s o 分量译码器框图 m a p 算法首先根据前向递归计算所有状态的a a s ) 的值，从时刻k = 0 到 k = n 时刻，接着，根据后向递归计算厦( s ) 各状态的值，从时刻k = n l 到七= l 时刻，最后，根据通过前向递归和后向递归计算出的吒( s ) ，缓妇) 计算出外信 息。 每个分量译码器需要伙加次递归计算才能得出一帧长数据的外信息，造 成大的时延，分块并行译码能显著的降低译码时延，理论上讲，可以把译码时 延降低为d ( 聊，其中形为分割的子帧长度。 并行译码方案是h s u 首次提出的【l o 】，相对于常规t u r b o 编译码器，编码器 不变，仅是对通过信道接收到的数据在译码端进行分块译码。在译码端，把接 收到的每一帧长( b l o c k ) 的输入信息分割成w 块子帧( s u b - b l o c k ) ，各子译码器对 w 块子帧同时并行译码，当然这里需要w 个子译码器( m s o d e c o d e r ) 。常规分 量译码器( c o m p o n e n td e c o d e r ) 变为并行s i s o 分量译码器( p a r a l l e ls i s o c o m p o n e n td e o d c r ) ，它由两个数据选择器和w 个子译码器组成。 传统分块并行t u r b o 码译码并行s i s o 分量译码器框图如图2 - 6 ( 这里仅是 常规第一子译码器d e c l 的并行译码框图，d e c 2 相同) ：