Turbo碼WCDMA通信系統中的應用

1Turbo碼簡介

Turbo碼又稱并行級聯卷積碼(PCCC)，是在1993年瑞士日內瓦召開的國際通信會議上，由C.Be rrou等人提出的一種編碼技術。它是由C.Be rrou等人，在1993年瑞士日內瓦召開的國際通信會議上提出的一種編碼技術。這種編碼技術巧妙地將卷積碼和隨機交織器結合在一起，利用隨機交織的方式實現了隨機編碼的思想，在譯碼方面，這種編碼方式采用了軟輸入/軟輸出的迭代譯碼算法來逼近最大似然譯碼。Turbo碼的性能和其他編碼方式相比，尤為突出。Turbo碼的出現得到了廣泛的關注，并得到了廣泛的應用，這和它出色的性能是分不開的。

2Turbo碼在WCDMA通信系統中的應用

2.1WCDMA通信系統中Turbo碼編碼器結構

3GPP標準中規定，在數據業務要求誤碼率在10-3和10-6之間時，使用的是8狀態的PCCC（parallel concatenated convolutional code）結構的編碼器。8狀態的PCCC編碼器的轉移函數為：

其中: d（D）=1+D2+D3；d（D）=1+D+D3

整個Turbo碼編碼器結構圖如圖1所示。

其中Interleaver隔開的相同的兩部分為RSC（Recursive Systematic Convolutional）編碼器。

Turbo碼的這種結構源于這樣一種思想：希望對RSC1的譯碼信息能提供對RSC2譯碼時的似然值，去影響RSC2的譯碼，以糾正更多的錯誤而RSC2的譯碼信息，也能反饋到RSC1譯碼器似然值的計算，兩個RSC編碼器之間經過一個隨機交織器交織，使得RSC1和RSC2的輸出幾乎不相關從而大大降低相鄰符號的相關性，使RSC1和RSC2譯碼提供的似然值不會成為錯誤的傳遞（即正反饋）。

2.2WCDMA交織器

這里的交織器采用的交織算法的是多級MIL（Muti_st ageI nterleavingMethod）塊交織器，3G TS 25.212協議規定，交織器的交織深度K在40到5114之間。具體的交織過程分為三個步驟:比特流輸入至內部矩陣，對內部矩陣進行行內重排和行間重排，對重排后的矩陣修剪輸出。

數據輸入到交織器后，首先和填充比特一起形成一個矩陣，然后在矩陣的行內和行間進行排列，最后經刪余后從交織器輸出。

這里交織器的使用，可以降低輸出的相關性，提高信道編碼的性能，但是我們也應該看到，交織器的使用也給信道編、譯碼帶來了一定的時延。交織器和時延的關系是，交織器越大，那么時延也就越大，但性能也越好。反之，交織器越小，時延也就越小，但性能降低。在具體應用中，我們要平衡好性能和時延的關系。

2.3WCDMA系統中Turbo碼譯碼器的結構

Turbo碼在WCDMA通信系統中譯碼器的基本結構如圖2所示。從結構圖中我們可以看出，譯碼器主要由DEC1、DEC2兩個子譯碼器、交織器以及解交織器構成。兩個分量碼譯碼器是和編碼器中的兩個子編碼器RSC1、RSC2分別對應的。并且譯碼器當中的交織器和編碼結構當中的交織器是一樣的。兩個子譯碼器采用的都是軟輸入、軟輸出的譯碼算法，這種譯碼算法的好處在于不僅可以進行譯碼判決，而且，對每一位信息位信息比特的準確性估計也能同時被給出來，我們可以把這種準確性估計稱作為譯碼器的外信息。

接下來介紹譯WCDMA系統中Turbo碼譯碼器的譯碼流程：首先接收端將接收到的串行數據流轉變成并行數據流后送入譯碼器當中。接下來分量碼譯碼器從信道接收序列y和再根據從另外一個分量碼譯碼器所得到的先驗信息z，可以估算出信息序列后驗概率的對數似然比，并從中提取出外信息I，經交織后的結果再傳遞給另一個分量碼譯碼器作為這個譯碼器的先驗信息z。Turbo碼譯碼器以一種迭代的工作方式，持續地對兩分量碼譯碼器所輸出的信息序列后驗概率的對數似然比進行校正。伴隨著分量碼編碼器中先驗信息Z的不斷被更新，它輸出的對數似然比會逐步產生收斂效應。當迭代譯碼達到一定次數后，可以使前后兩級的外信息I具有很大的相關性，這個時候，可以通過對DEC2輸出的對數似然比進行硬判決，就可以得到Turbo碼譯碼器的最終譯碼結果了。

迭代譯碼的好處是可以提高譯碼性能，但是我們要注意一個誤區，并不是說迭代譯碼迭代的次數越多，譯碼后所得到的譯碼性能就越高，當迭代次數達到一定次數以后，隨著迭代次數增多，譯碼性能只能被有限度的提高。整個譯碼過程可以被看作是兩個子分量碼譯碼器信息交換的一個過程。當兩個子譯碼器的信息得到充分的交換以后，達到平衡狀態的時侯，這時譯碼達到了最佳狀態，譯碼性能也趨于平穩。

3 WCDMA通信系統中Turbo碼的性能分析

Turbo碼具有接近香農極限的性能，在移動通信的惡劣傳輸環境下具有很大優勢。但Turbo碼的高性能離不開其編碼結構中的長交織、高次迭代譯碼以及復雜的譯碼算法，以上三者均會帶來高的處理延時，使得Turbo碼在長延時及不限延時業務中應用較為廣泛，而對低延時業務，如語音業務來說，如何能在保持其強的抗噪聲能力的基礎上降低延時一直是研究的熱點。對于短時延的業務來說，可以引入迭代終止器以在保證Turbo碼性能的前提下進一步降低處理時延。在WCDMA平臺上對采用短幀交織的Turbo碼在高斯和衰落信道下的性能進行的仿真結果表明，在同等時延要求下，采用Turbo碼方案不僅能取得較好的性能，而且平均處理復雜度也低于具有相同編碼速率的卷積碼。